JPH0870142A

JPH0870142A - 熱電素子

Info

Publication number: JPH0870142A
Application number: JP6204887A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Yamazaki; 敏彦山▲崎▼
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】熱電素子のπ型構造を改良して平面的な構造
にすることにより、製造容易、強度向上並びに小型化及
び薄型化可能な熱電装置を実現する。【構成】基板１の表面上にストライプ状の断熱体２を
埋設し、その上にｎ型半導体３及びｐ型半導体４を設置
面に沿って交互に形成する。両半導体間に形成された接
合面Ａは断熱体２の直上に配置され、接合面Ａに隣接す
る接合面Ｂの直上には断熱体５が形成される。半導体層
の上方側と基板側とに温度差を付けると隣接する半導体
層間に電位差が発生して電力を取り出すことができ、逆
に半導体層に電流を流すことにより半導体層の上下両側
に温度差を付けることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱電素子に係り、特に従
来一般に製造されている素子構造を改良した新規の構造
を備えた熱電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱電素子としてはｎ型半導体とｐ
型半導体とを一方の電極に対して並列に導電接続し、他
方をそれぞれ異なる電極に導電接続してπ型構造に形成
したπ素子対からなるものが一般的である。このπ素子
対を複数直列に導電接続し、２枚の絶縁性のセラミック
基板等に挟持した板状の熱電装置が構成される。このよ
うな熱電装置は温度差発電や冷却装置等として近年期待
されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の熱電装置はｎ型半導体とｐ型半導体とをそれぞれ上
下の電極に接合した構造であって、半導体と電極とを所
定の形状に配置して半田付け等により組立てる必要があ
るため、π素子対の組立に手間がかかり、製造コストが
高くなるという問題点がある。また、π素子対は上記の
ように立体構造を備えているため素子強度を高めること
が困難であり、強度の点から使用場所や用途が限られて
しまったり強度を確保するために使用材料が限定されて
しまったりするという欠点がある。さらに、上述のよう
な構造のために装置の小型化及び薄型化に制限があると
いう問題点もある。

【０００４】そこで本発明は上記各問題点を解決するも
のであり、その課題は、π素子対の構造を改良して新規
の構造にすることにより、製造容易、強度向上並びに小
型化及び薄型化可能な熱電装置を構成することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明が講じた手段は、熱電特性を呈する組合せに選
定された第１種熱電材料及び第２種熱電材料を設置面に
沿って交互に接合させて配置し、前記第１種熱電材料と
第２種熱電材料との間に交互に形成された第１接合部及
び第２接合部のうち少なくともいずれか一方を前記設置
面の一側に対して他側よりも熱的に強く接続させるもの
である。

【０００６】さらに、前記第１接合部を前記設置面の一
側に対して熱的に強く接続し、前記第２接続部を前記設
置面の他側に対して熱的に強く接続することが好まし
い。

【０００７】この場合において、前記第１接合部におけ
る前記設置面の一側表面に熱遮断層を部分的に形成する
ことが好ましい。

【０００８】或いはまた、前記第２接合部における前記
設置面の一側表面に熱良導体を部分的に接続することが
好ましい。

【０００９】そして、前記第１種熱電材料及び第２種熱
電材料は絶縁基板の表面上に形成することが好ましい。

【００１０】また、前記第１導電型熱電材料及び第２導
電型熱電材料からなる機能層の層厚を、１の前記接合部
において厚く、該１の接合部に隣接する前記接合部にお
いて薄くなるように交互に厚さを変化させて形成するこ
とが好ましい。

【００１１】さらに、前記第１接合部の近傍にのみ光を
導入するように構成された選択的光導入手段を設けるこ
とが望ましい。

【００１２】

【作用】請求項１によれば、設置面に沿って第１種熱電
材料及び第２種熱電材料を交互に接合させて配置するこ
とにより、構造が平面的になるため、製造容易になると
ともに強度を向上させることができ、さらに構造の薄型
化を図ることができる。この場合、第１接合部と第２接
合部のいずれかを設置面の一側に熱的に強く接続させる
ことにより第１接合部と第２接合部との間の温度差を得
ることができるので、温度差に基づく発電、電力に基づ
く冷却等を行う熱電素子として使用することができる。

【００１３】請求項２によれば、前記第１接合部を前記
設置面の一側に対して熱的に強く接続し、前記第２接続
部を前記設置面の他側に対して熱的に強く接続すること
により、第１接合部と第２接合部との間の温度差をより
大きくとることができるので熱電効率をさらに高めるこ
とができる。

【００１４】請求項３の熱遮断体又は請求項４の熱良導
体を設けることにより、第１接合部又は第２接合部を設
置面の一側により熱的に強く接続させることができる。

【００１５】請求項５によれば、前記第１種熱電材料及
び第２種熱電材料を絶縁基板の表面上に形成することに
より、製造の容易、強度の向上を図ることができる。

【００１６】請求項６によれば、第１接合部と第２接合
部の厚さを変化させることにより熱断体や熱良導体を設
けることなく第１接合部と第２接合部との間の温度差を
確保することができるので、製造容易、コストの低減を
図ることができる。

【００１７】請求項７によれば、選択的光導入手段によ
って第１接合部の近傍にのみ光が照射されるように構成
したことにより、第１接合部のみが光により加熱される
ので第１接合部と第２接合部の間に温度差を発生させる
ことができ、発電素子若しくは光電変換素子として動作
させることができる。

【００１８】

【実施例】次に図面を参照して本発明に係る実施例を説
明する。

【００１９】〔第１実施例〕図１には本発明に係る第１
実施例の構造を示す。この実施例はアルミナ等からなる
セラミック板で構成された基板１の上に形成した例を示
すものである。この基板１は電気的に絶縁体として見な
され得るものであれば良く、樹脂製のシートでもよい。
基板１の表面上にはエッチング処理等により長溝１ａが
形成され、この長溝１ａの中に断熱体２が埋設される。

【００２０】この断熱体２は、基板１よりも充分に熱伝
導率の小さい材質、例えば、ウレタン等の樹脂や発泡性
樹脂、ゴム等を印刷又は塗布して形成するか、上記樹脂
で形成された断熱シートや金属箔と樹脂を組み合わせた
積層シート等を貼着して形成される。基板１よりも熱伝
導性の悪いものであればガラス質のものでもよい。断熱
体２の材質は完成された熱電装置の作動温度よりも融点
が充分に低く、動作上問題のないものを選定する必要が
ある。また、後述する半導体層の形成工程において加熱
処理を行う場合には、それらの加熱温度に耐えうるもの
とするべきである。

【００２１】このようにして基板１上に選択的に断熱体
２が形成された上に、ｎ型半導体３及びｐ型半導体４か
らなる機能層を形成する。この機能層は、例えばＢｉ−
Ｔｅ系の半導体を使用する場合には、ｎ型半導体３とし
てはさらにＳｅを混入したもの、ｐ型半導体４としては
Ｓｂを混入したものをそれぞれ溶解後粉砕し、バインダ
を混合してストライプ状に交互にｎ型半導体３とｐ型半
導体４が並列配置されるように基板１上に印刷成形す
る。この印刷層は焼結処理により基板１上に固着され
る。ここでｎ型半導体３とｐ型半導体４との間の接合部
のうち１つおきに配置された接合部Ａは上記断熱体２の
直上にくるように配置される。

【００２２】最後にｎ型半導体３及びｐ型半導体４の上
に断熱体５が印刷により形成される。この断熱体５は上
記断熱体２の直上に配置された接合部Ａに隣接した接合
部Ｂの上に形成され、焼結処理若しくは硬化処理により
固着される。この断熱体５は通常上記断熱体２と同材質
でよいが、必ずしも断熱体２程に熱伝導率が低い必要は
ない。即ち、露出したｎ型半導体３及びｐ型半導体４の
表面部分との直接の熱のやりとりよりも断熱体５を介し
てｎ型半導体３及びｐ型半導体４に伝達される熱のやり
とりの方が熱伝導性が低くなっていればよい。

【００２３】本実施例では、例えば基板１側を低温部
に、ｎ型半導体３及びｐ型半導体４の表面側を高温部に
それぞれ接触させることにより、ｎ型半導体３とｐ型半
導体４との間の接合部が交互に高温と低温になって温度
差が生じる。この温度差はｎ型半導体３とｐ型半導体４
との間に電位差を発生させるので、ｎ型半導体３とｐ型
半導体４の並列部の両端に電極を接合することにより電
流を取り出すことができる。

【００２４】一方、本実施例を熱移動素子として使用す
ることも可能であり、ｎ型半導体３とｐ型半導体４の並
列部の両端に電極を接合して電流を流すことにより、基
板１側とｎ型半導体３及びｐ型半導体４の表面側との間
に温度差を生じさせ、例えば冷却素子として使用するこ
とができる。

【００２５】本実施例では印刷成形により半導体層を形
成したが、ｎ型半導体３及びｐ型半導体４をそれぞれブ
ロック状に成形し、焼結又は硬化処理を施した後、基板
１上に整列させて半田、導電性ペースト等により導電接
続してもよい。この際、基板１と半導体層との間の接続
は接着剤で行ってもよい。

【００２６】本実施例はｎ型半導体３及びｐ型半導体４
を設置面（上記実施例では基板１の表面に沿った仮想平
面）に沿って交互に並列配置したので、従来のように立
体構造を形成する必要がないため製造工程が簡素化され
るとともに、各半導体及びその接合部Ａ，Ｂが１つの面
上に配列されているために熱電装置の薄型化を図ること
ができる。また、このような平面的な構造故にその強度
を極めて容易に高めることができる。

【００２７】〔第２実施例〕図２は本発明に係る第２実
施例の構造を示すものである。この実施例は、薄い基板
６上に第１実施例と同様のｎ型半導体３及びｐ型半導体
４並びに断熱体５を形成しているが、断熱体２を基板６
の裏面側に形成している点が異なる。この実施例におい
ても、ｎ型半導体３及びｐ型半導体４の表面側と基板６
の裏面側とにそれぞれ例えば高温部と低温部を配置する
ことにより、温度差発電装置又は冷却装置として使用す
ることができる。

【００２８】この第２実施例においては、基板６の表裏
にｎ型半導体３及びｐ型半導体４と断熱体２を配したの
で、基板表面に溝を形成することなく製造できる点で第
１実施例よりも優れている。ただし、この実施例ではｎ
型半導体３及びｐ型半導体４における基板６側の接合部
Ａと接合部Ｂとの間の温度差が上記第１実施例に較べて
得られ難い。これは基板６の厚さを低減することにより
ある程度は解消することができる。

【００２９】〔第３実施例〕図３は本発明に係る第３実
施例の構造を示すものである。この実施例では、基板１
の上にストライプ状の断熱体７を選択的に形成し、断熱
体７の直上部に接合部Ａが位置するようにｎ型半導体３
及びｐ型半導体４を形成している。その後、接合部Ｂを
中心とした領域を選択的に除去して、この部分に断熱体
８を選択的に堆積させることにより図３（ａ）に示す構
造が形成される。

【００３０】上記製造工程においては、断熱体７と断熱
体８の形成に際してはフォトリソグラフィー等によるマ
スクを介した蒸着、スパッタリング、ドライエッチング
等の膜形成法を採用することができる。また、ｎ型半導
体３及びｐ型半導体４の形成に際しては、上記実施例と
同様の印刷法の他に、蒸着、スパッタリング等の膜形成
法、エッチング、不純物拡散等を組合せた方法で形成す
ることができる。

【００３１】図３（ｂ）に示す構造は第３実施例の変形
例を拡大して示すものである。この構造は、断熱体９，
１０の厚さを接合部Ａ，Ｂの部分で最も厚く、接合部
Ａ，Ｂから離れるに従って薄く形成したものである。こ
のような断熱体９，１０の形状により、接合部Ａ，Ｂに
おける熱伝導性の偏り（即ち、接合部Ａでは半導体層の
上面側に熱伝導し易く、接合部Ｂでは半導体層の下面側
に熱伝導し易い）を効率良く作り出すことができる。

【００３２】〔第４実施例〕図４には本発明に係る第４
実施例の構造を示す。この構造は、基板１の上にｎ型半
導体３及びｐ型半導体４を断熱体を介することなく形成
し、接合部Ｂの直上部に断熱体５を選択的に形成したも
のである。この実施例は第１実施例から断熱体２を省略
した形状になっているため、製造工程が簡素化され、製
造コストを低減することができる。一方、断熱体２を省
略することにより接合部Ｂにおける熱効率は多少低下す
るが、ある程度熱伝導性の低い基板材料を用いることに
より接合部Ａと接合部Ｂの間の温度差を維持することが
できる。

【００３３】この実施例では、接合部Ａと接合部Ｂとの
間に充分な温度差を形成するため、吸熱体１２を接合部
Ａの上に取付けることもできる。この吸熱体１２は、複
数のフィン１２ａを接合部Ａの直上から上方へ向けて突
出させており、上方空間と接合部Ａとの間の熱伝導性を
高めることにより、接合部Ａと接合部Ｂとの間に充分な
温度差が生じるように構成されている。なお、図４には
図示の都合上吸熱体１２を一つのみ描いているが、実際
には接合部Ａの上に一つずつ形成されるものである。こ
の構造では、断熱体５のみを形成する場合、吸熱体１２
のみを形成する場合でも充分な効果が得られる。また、
基板１内に侵入するように形成されたフィンを備える吸
熱体を形成しても同様の効果を奏することは明らかであ
る。

【００３４】〔第５実施例〕図５には本発明に係る第５
実施例の構造を示す。この構造は、基板１の上にｎ型半
導体１３とｐ型半導体１４とを形成したものである。こ
こで、ｎ型半導体１３とｐ型半導体１４とは、接合部ａ
を中心として厚く、接合部ｂを中心として薄く形成され
ており、このような厚さ分布が交互に繰り返されて表面
が波状になっている。この実施例のｎ型半導体１３及び
ｐ型半導体１４は、基板上に形成されたｎ型半導体及び
ｐ型半導体の層をフォトリソグラフィーにより周期的に
エッチングで除去することにより形成される。

【００３５】この実施例では、接合部に断熱体や吸熱体
を形成していないものの、層厚の大きい接合部ａの部分
が半導体層の上方領域に対して熱伝導性が良好で、層厚
の小さい接合部ｂの部分の熱伝導性は劣るため、接合部
ａと接合部ｂとの間に充分な温度差を確保することがで
きる。この実施例は半導体層以外の構造を必要としない
ので製造コストを低減することができるとともに、さら
なる薄型化を図ることができる。

【００３６】〔第６実施例〕図６は上記第４実施例にお
ける吸熱体１２と同様に外部の熱を接合部に導入し易く
するための構造を備えた本発明に係る第６実施例を示す
ものである。この実施例では、基板１の表面側に第１実
施例と同様の断熱体２を形成し、この上にｎ型半導体３
及びｐ型半導体４を形成したものである。ただし、これ
ら半導体層の上には断熱体を形成する代わりに遮光板１
５が配置されている。この遮光板１５は、下方の半導体
層の形成周期と同周期で形成された光窓１５ａを備えて
いる。この光窓１５ａは接合部Ｂの直上に配置され、遮
光板１５の上方から照射される加熱光Ｃを透過させて接
合部Ｂに加熱光Ｃが照射されるように構成されている。
この実施例は光による加熱により発電する装置を構成す
るものであり、外部から照射された加熱光Ｃを直接接合
部Ｂ上に選択的に照射することにより、光窓１５ａの下
にある接合部Ｂと、遮光板１５により遮光された接合部
Ａとの間に温度差が生じ、半導体層の両端に起電力が発
生する。この実施例においては、平面的に配列された半
導体層により光を面で受けることができ、効率的な光電
変換を行うことができるとともに、装置の薄型化を図る
ことができる。ここで、上記加熱光Ｃとしては赤外光、
可視光その他を問わず、いかなる波長域の光であっても
照射により熱を発生しうるものであればよい。

【００３７】図７は上記各実施例における設置面が円筒
面になるように構成した例を示すものである。図７
（ａ）は基板、半導体層、断熱体からなる円筒体１６の
両端面に環状電極１７，１８を形成したものを示す。半
導体層は、円筒体１６の周面においてそれぞれ環状に形
成され、円筒体１６の軸線方向に交互にｎ型層、ｐ型層
が配置されるように構成されている。一方、図７（ｂ）
には円筒体１９の軸線回りに交互にｎ型層、ｐ型層が配
置されるように構成された半導体層を備え、周面の一部
に絶縁層２０を介して電極２１，２２が形成された構成
例を示す。

【００３８】上記のように半導体層、断熱体、吸熱体等
が配列される設置面は、上記各実施例のように平面であ
る必要はなく、任意の曲面に構成することができる。ま
た、設置面内における半導体層の配列は上記各例のよう
に必ずしもストライプ状に並列させる必要はなく、例え
ば直線状、チドリ状、モザイク状に配列されていてもよ
い。また、熱電材料としては、上記材料の他に各種半導
体を使用でき、さらに半導体以外の異種金属の組合せを
採用することも可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば以下
の効果を奏する。

【００４０】請求項１によれば、設置面に沿って第１種
熱電材料及び第２種熱電材料を交互に接合させて配置す
ることにより、構造が平面的になるため、製造容易にな
るとともに強度を向上させることができ、さらに構造の
薄型化を図ることができる。この場合、第１接合部と第
２接合部のいずれかを設置面の一側に熱的に強く接続さ
せることにより第１接合部と第２接合部との間の温度差
を得ることができるので、温度差に基づく発電、電力に
基づく冷却等を行う熱電素子として使用することができ
る。

【００４１】請求項２によれば、前記第１接合部を前記
設置面の一側に対して熱的に強く接続し、前記第２接続
部を前記設置面の他側に対して熱的に強く接続すること
により、第１接合部と第２接合部との間の温度差をより
大きくとることができるので熱電効率をさらに高めるこ
とができる。

【００４２】請求項３の熱遮断体又は請求項４の熱良導
体を設けることにより、第１接合部又は第２接合部を設
置面の一側により熱的に強く接続させることができる。

【００４３】請求項５によれば、前記第１種熱電材料及
び第２種熱電材料を絶縁基板の表面上に形成することに
より、製造の容易、強度の向上を図ることができる。

【００４４】請求項６によれば、第１接合部と第２接合
部の厚さを変化させることにより熱断体や熱良導体を設
けることなく第１接合部と第２接合部との間の温度差を
確保することができるので、製造容易、コストの低減を
図ることができる。

【００４５】請求項７によれば、選択的光導入手段によ
って第１接合部の近傍にのみ光が照射されるように構成
したことにより、第１接合部のみが光により加熱される
ので第１接合部と第２接合部の間に温度差を発生させる
ことができ、発電素子若しくは光電変換素子として動作
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例の構造を示す縦断面図
である。

【図２】本発明に係る第２実施例の構造を示す縦断面図
である。

【図３】本発明に係る第３実施例の構造を示す縦断面図
（ａ）及びその変形例を示す拡大断面図（ｂ）である。

【図４】本発明に係る第４実施例の構造を示す縦断面図
である。

【図５】本発明に係る第５実施例の構造を示す縦断面図
である。

【図６】本発明に係る第６実施例の構造を示す縦断面図
である。

【図７】上記各実施例に適用できる特殊構造を示す斜視
図（ａ）及び（ｂ）である。

【符号の説明】

１，６基板２，５，７，８，９，１０断熱体３，１３ｎ型半導体４，１４ｐ型半導体１２吸熱体１５遮光板１５ａ光窓

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電特性を呈する組合せに選定された第
１種熱電材料及び第２種熱電材料を設置面に沿って交互
に接合させて配置し、前記第１種熱電材料と第２種熱電
材料との間に交互に形成された第１接合部及び第２接合
部のうち少なくともいずれか一方を前記設置面の一側に
対して他側よりも熱的に強く接続させたことを特徴とす
る熱電素子。
【請求項２】請求項１において、前記第１接合部は前
記設置面の一側に対して熱的に強く接続され、前記第２
接続部は前記設置面の他側に対して熱的に強く接続され
ていることを特徴とする熱電素子。
【請求項３】請求項１において、前記第１接合部にお
ける前記設置面の一側表面には熱遮断体が部分的に形成
されていることを特徴とする熱電素子。
【請求項４】請求項１において、前記第２接合部にお
ける前記設置面の一側表面には熱良導体が部分的に接続
されていることを特徴とする熱電素子。
【請求項５】請求項１において、前記第１種熱電材料
及び第２種熱電材料は絶縁基板の表面上に形成されてい
ることを特徴とする熱電素子。
【請求項６】請求項１において、前記第１導電型熱電
材料及び第２導電型熱電材料からなる機能層の層厚を、
１の前記接合部において厚く、該１の接合部に隣接する
前記接合部において薄くなるように交互に厚さを変化さ
せて形成したことを特徴とする熱電素子。
【請求項７】請求項１において、前記第１接合部の近
傍にのみ光を導入するように構成された選択的光導入手
段を備えたことを特徴とする熱電素子。