特許 7668524 熱電発電デバイス、熱電発電デバイス部品及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-17

(45)【発行日】2025-04-25

(54)【発明の名称】熱電発電デバイス、熱電発電デバイス部品及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/17 20230101AFI20250418BHJP

   H10N 10/13 20230101ALI20250418BHJP

   H10N 10/01 20230101ALI20250418BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20250418BHJP

【ＦＩ】

H10N10/17 A

H10N10/13

H10N10/01

H02N11/00 A

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2021094815

(22)【出願日】2021-06-04

(65)【公開番号】P2022186538

(43)【公開日】2022-12-15

【審査請求日】2024-02-21

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ） 微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出 「メカノサーマル工学による熱電技術の低コスト化と高付加価値化」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】390001421

【氏名又は名称】学校法人早稲田大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩瀬 英治

(72)【発明者】

【氏名】寺嶋 真伍

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０３８７７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０３８５２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２２０１６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－２１６３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００７３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１９２９７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ１０Ｎ １０／１３

Ｈ１０Ｎ １０／０１

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板と、前記配線基板上に設けられたｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを備え、
前記配線基板は、
一端に幅方向外側に突出した第１連結部及び他端に前記第１連結部とは逆向きに突出した第２連結部とを設けた帯状の梁部と、
前記梁部の一方の面側において、前記第１連結部の前記梁部の他端側の端部から前記梁部の他端側に向けてかつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部が設けられた第１脚部と、
前記梁部の一方の面側において、前記第２連結部の前記梁部の一端側の端部から前記梁部の一端側かつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、先端に前記第１接触部よりも前記梁部の一端側で熱源と接触する第２接触部が設けられた第２脚部と
を有し、
前記金属層は、前記第１脚部の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域及び前記第２脚部の基端と先端との間に形成された第２絶縁領域により、前記第１脚部における先端側の第１配線領域、前記第２脚部における先端側の第２配線領域及び前記第１絶縁領域から前記梁部を経て前記第２絶縁領域までの接続配線領域に電気的に分割され、
前記ｐ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第１配線領域とを接続するように前記第１脚部上に取り付けられ、
前記ｎ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第２配線領域とを接続するように前記第２脚部上に取り付けられている
ことを特徴とする熱電発電デバイス。

【請求項2】

絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板と、前記配線基板上に設けられたｐ型またはｎ型のいずれか一方の熱電素子とを備え、
前記配線基板は、
一端に幅方向外側に突出した第１連結部及び他端に前記第１連結部とは逆向きに突出した第２連結部とを設けた帯状の梁部と、
前記梁部の一方の面側において、前記第１連結部の前記梁部の他端側の端部から前記梁部の他端側に向けてかつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部が設けられた第１脚部と、
前記梁部の一方の面側において、前記第２連結部の前記梁部の一端側の端部から前記梁部の一端側かつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、前記金属層が前記第１脚部よりも幅狭に形成され、先端に前記第１接触部よりも前記梁部の一端側で熱源と接触する第２接触部が設けられた第２脚部と
を有し、
前記金属層は、前記第１脚部の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域により、前記第１脚部における先端側の第１配線領域と、前記第１絶縁領域から前記梁部を経て前記第２接触部までの第２配線領域とに電気的に分割され、
前記熱電素子は、前記第１配線領域と前記第２配線領域を接続するように前記第１脚部上に取り付けられている
ことを特徴とする熱電発電デバイス。

【請求項3】

前記梁部の幅方向に、前記第１脚部と前記第２脚部との間に前記梁部を挟み、複数の前記第１脚部及び前記第２脚部が交互に並んで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電デバイス。

【請求項4】

一組の前記第１脚部、前記第２脚部及び前記梁部からなる複数の列モジュールまたは前記梁部の幅方向に、前記第１脚部と前記第２脚部との間に前記梁部を挟み複数の前記第１脚部及び前記第２脚部を交互に配列した複数の列モジュールを有し、前記複数の列モジュールが前記梁部の幅方向と直交する方向に並べられ、隣り合う列モジュールの間に当該隣り合う列モジュールの一方の前記第１脚部と他方の前記第２脚部とを連結するとともに熱源と接触する、前記第１接触部と前記第２接触部とを一体にした中間接触部が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の熱電発電デバイス。

【請求項5】

前記梁部の表面に複数のフィンを有するヒートシンクを設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の熱電発電デバイス。

【請求項6】

絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性を有する平板状の配線基板と、
前記配線基板上に設けられたｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを備え、
前記配線基板は、カット線により、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とが形成され、
前記金属層は、前記第１脚部領域の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域及び前記第２脚部領域の基端と先端との間に形成された第２絶縁領域により、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域、前記第２脚部領域における先端側の第２配線領域及び前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２絶縁領域までの接続配線領域に電気的に分離され、
前記ｐ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第１配線領域とを接続するように前記第１脚部領域上に取り付けられ、
前記ｎ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第２配線領域とを接続するように前記第２脚部領域上に取り付けられている
ことを特徴とする熱電発電デバイス部品。

【請求項7】

絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性を有する平板状の配線基板と、
前記配線基板上に設けられたｐ型またはｎ型のいずれか一方の熱電素子とを備え、
前記配線基板は、カット線により、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、前記金属層が前記第１脚部領域よりも幅狭に形成され、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とが形成され、
前記金属層は、前記第１脚部領域の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域により、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域と、前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２接触部領域までの第２配線領域とに電気的に分離され、
前記熱電素子は、前記第１配線領域と前記第２配線領域とを接続するように前記第１脚部領域上に取り付けられている
ことを特徴とする熱電発電デバイス部品。

【請求項8】

前記配線基板は、前記梁部領域の幅方向に、前記第１脚部領域と前記第２脚部領域との間に前記梁部領域を挟み、複数の前記第１脚部領域及び前記第２脚部領域が交互に並んで形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の熱電発電デバイス部品。

【請求項9】

前記配線基板は、一組の前記第１脚部領域、前記第２脚部領域及び前記梁部領域からなる複数の列モジュールまたは前記梁部領域の幅方向に前記第１脚部領域と前記第２脚部領域との間に前記梁部領域を挟み複数の前記第１脚部領域及び前記第２脚部領域が交互に配列した複数の列モジュール領域を有し、前記複数の列モジュール領域が前記梁部領域の幅方向と直交する方向に並べられ、隣り合う列モジュール領域の間に当該隣り合う列モジュール領域の一方の前記第１脚部領域と他方の前記第２脚部領域とを連結するとともに熱源と接触する、前記第１接触部領域と前記第２接触部領域とを一体にした中間接触部領域が形成されていることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の熱電発電デバイス部品。

【請求項10】

前記梁部領域の表面に取り付けられた複数のフィンを有するヒートシンクを備えることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の熱電発電デバイス部品。

【請求項11】

絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板にカット線を形成し、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とに分割する分割工程と、
前記金属層を、前記第１脚部領域の基端と先端との間に第１絶縁領域を、前記第２脚部領域の基端と先端との間に第２絶縁領域をそれぞれ形成し、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域、前記第２脚部領域における先端側の第２配線領域及び前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２絶縁領域までの接続配線領域に電気的に分離する金属層加工工程と、
前記接続配線領域と前記第１配線領域とを接続するようにｐ型熱電素子を前記第１脚部領域上に、前記接続配線領域と前記第２配線領域とを接続するようにｎ型熱電素子を前記第２脚部領域上にそれぞれ取り付ける熱電素子取付工程と
を有することを特徴とする熱電発電デバイス部品の製造方法。

【請求項12】

絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板にカット線を形成し、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とに分割する分割工程と、
前記金属層を、前記第１脚部領域の基端と先端との間に第１絶縁領域を形成し、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域と前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２接触部領域までの第２配線領域とに電気的に分離するとともに第２脚部領域における前記金属層が前記第１脚部領域よりも幅狭にする金属層加工工程と、
前記第１配線領域と前記第２配線領域を接続するようにｐ型またはｎ型のいずれか一方の熱電素子を前記第１脚部領域上にそれぞれ取り付ける熱電素子取付工程と
を有することを特徴とする熱電発電デバイス部品の製造方法。

【請求項13】

前記梁部領域の表面に複数のフィンを有するヒートシンクを取り付けるヒートシンク取付工程を有することを特徴とする請求項１１または１２に記載の熱電発電デバイス部品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電発電デバイス、熱電発電デバイス部品及びその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

固体の熱電素子を用い、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電デバイスが知られている。このような熱電発電デバイスとしては、２枚の基板の間に一組の熱電素子を配したπ型の構造と、熱電素子を基板面上に薄膜状に形成したフラット型の構造（例えば特許文献１、非特許文献１～３を参照）とが知られている。

【0003】

熱電発電デバイスは、一組の熱電素子すなわちｐ型とｎ型の熱電素子（半導体）から構成される。一組の熱電素子では出力が小さいため、一般的には多数組の熱電素子が用いられる。特許文献１に記載の熱電発電デバイスでは、薄膜状の多数組の熱電素子を基板に形成するとともに、基板を山折りと谷折りの繰り返し構造を持つ蛇腹状にして、山と谷の各部分について熱源からの距離に差を持たせ、山と谷の間に形成した熱電素子の両端（山側と谷側）の温度差を大きくしている。また、π型の構造の多数組の熱電素子をフレキシブル基板上に設けるとともに、熱電素子のフレキシブル基板とは反対側の端部を接続する多数の電極を特定の配置とすることで、特定の１方向に湾曲できるようにした熱電発電デバイスも知られている（非特許文献４を参照）。

【0004】

一方長方形状のプリント基板に切れ込みを入れて略Ｎ字形状とすることで、プリント基板の基材への負担が少なく、また屈曲による基材上の配線の切断等を防止しながら、１８０度折り曲げることができるプリント基板が提案されている（特許文献２を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１７－９２４３７号公報

【文献】特開２０２０－４７８１８号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】L. Francioso, C. De Pascali, I. Farella, C. Martucci, P. Creti, P. Siciliano, A. Perrone, “Flexible thermoelectric generator for ambient assisted living wearable biometric sensors”, J. Power Sources, 196 (2011).

【文献】Z. Lu, H. Zhang, C. Mao, C. M. Li, “Silk fabric-based wearable thermoelectric generator for energy harvesting from the human body”, Appl. Energy, 164, pp. 57-63 (2016).

【文献】C. A. Hewitt, A. B. Kaiser, S. Roth, M. Craps, R. Czerw, D. L. Carroll, “Multilayered carbon nanotube /polymer composite based thermoelectric fabrics”, Nano Lett., 12, pp. 1307-1310 (2012).

【文献】T. Sugahara, Y. Ekubaru, N. V. Nong, N. Kagami, K. Ohata, L. T. Hung, M. Okajima, S. Nambu, and K. Suganuma, “Fabrication with Semiconductor Packaging Technologies and Characterization of a Large‐Scale Flexible Thermoelectric Module”, Advanced Materials Technologies (2019).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１のように基板が蛇腹状にされた熱電発電デバイスや非特許文献４のように一方向にのみ曲げられる熱電発電デバイスでは、熱源の表面の形状によっては部分的に浮きが発生するため、また特許文献１や非特許文献１等の熱電発電デバイスでは、薄膜状の熱電素子を用いるため発電効率が悪いといった問題があった。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、発電効率を向上することができる熱電発電デバイス、熱電発電デバイス部品及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の熱電発電デバイスは、絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板と、前記配線基板上に設けられたｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを備え、前記配線基板は、一端に幅方向外側に突出した第１連結部及び他端に前記第１連結部とは逆向きに突出した第２連結部とを設けた帯状の梁部と、前記梁部の一方の面側において、前記第１連結部の前記梁部の他端側の端部から前記梁部の他端側に向けてかつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部が設けられた第１脚部と、前記梁部の一方の面側において、前記第２連結部の前記梁部の一端側の端部から前記梁部の一端側かつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、先端に前記第１接触部よりも前記梁部の一端側で熱源と接触する第２接触部が設けられた第２脚部とを有し、前記金属層は、前記第１脚部の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域及び前記第２脚部の基端と先端との間に形成された第２絶縁領域により、前記第１脚部における先端側の第１配線領域、前記第２脚部における先端側の第２配線領域及び前記第１絶縁領域から前記梁部を経て前記第２絶縁領域までの接続配線領域に電気的に分割され、前記ｐ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第１配線領域とを接続するように前記第１脚部上に取り付けられ、前記ｎ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第２配線領域とを接続するように前記第２脚部上に取り付けられているものである。

【0010】

本発明の熱電発電デバイスは、絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板と、前記配線基板上に設けられたｐ型またはｎ型のいずれか一方の熱電素子とを備え、前記配線基板は、一端に幅方向外側に突出した第１連結部及び他端に前記第１連結部とは逆向きに突出した第２連結部とを設けた帯状の梁部と、前記梁部の一方の面側において、前記第１連結部の前記梁部の他端側の端部から前記梁部の他端側に向けてかつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部が設けられた第１脚部と、前記梁部の一方の面側において、前記第２連結部の前記梁部の一端側の端部から前記梁部の一端側かつ前記梁部から離れる方向に向けて帯状に延び、前記金属層が前記第１脚部よりも幅狭に形成され、先端に前記第１接触部よりも前記梁部の一端側で熱源と接触する第２接触部が設けられた第２脚部とを有し、前記金属層は、前記第１脚部の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域により、前記第１脚部における先端側の第１配線領域と、前記第１絶縁領域から前記梁部を経て前記第２接触部までの第２配線領域とに電気的に分割され、前記熱電素子は、前記第１配線領域と前記第２配線領域を接続するように前記第１脚部上に取り付けられているものである。

【0011】

本発明の熱電発電デバイス部品は、絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性を有する平板状の配線基板と、前記配線基板上に設けられたｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを備え、前記配線基板は、カット線により、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とが形成され、前記金属層は、前記第１脚部領域の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域及び前記第２脚部領域の基端と先端との間に形成された第２絶縁領域により、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域、前記第２脚部領域における先端側の第２配線領域及び前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２絶縁領域までの接続配線領域に電気的に分離され、前記ｐ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第１配線領域とを接続するように前記第１脚部領域上に取り付けられ、前記ｎ型熱電素子は、前記接続配線領域と前記第２配線領域とを接続するように前記第２脚部領域上に取り付けられているものである。

【0012】

本発明の熱電発電デバイス部品は、絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性を有する平板状の配線基板と、前記配線基板上に設けられたｐ型またはｎ型のいずれか一方の熱電素子とを備え、前記配線基板は、カット線により、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、前記金属層が前記第１脚部領域よりも幅狭に形成され、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とが形成され、前記金属層は、前記第１脚部領域の基端と先端との間に形成された第１絶縁領域により、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域と、前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２接触領域までの第２配線領域とに電気的に分離され、前記熱電素子は、前記第１配線領域と前記第２配線領域とを接続するように前記第１脚部領域上に取り付けられているものである。

【0013】

本発明の熱電発電デバイス部品の製造方法は、絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板にカット線を形成し、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とに分割する分割工程と、前記金属層を、前記第１脚部領域の基端と先端との間に第１絶縁領域を、前記第２脚部領域の基端と先端との間に第２絶縁領域をそれぞれ形成し、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域、前記第２脚部領域における先端側の第２配線領域及び前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２絶縁領域までの接続配線領域に電気的に分離する金属層加工工程と、前記接続配線領域と前記第１配線領域とを接続するようにｐ型熱電素子を前記第１脚部領域上に、前記接続配線領域と前記第２配線領域とを接続するようにｎ型熱電素子を前記第２脚部領域上にそれぞれ取り付ける熱電素子取付工程とを有するものである。

【0014】

本発明の熱電発電デバイス部品の製造方法は、絶縁性の基材と前記基材の一方の面に形成された金属層とを有する可撓性の配線基板にカット線を形成し、一端に幅方向外側に突出した第１連結部領域及び他端に前記第１連結部領域とは逆向きに突出した第２連結部領域とを設けた帯状の梁部領域と、前記第１連結部領域の前記梁部領域の他端側の端部から前記梁部領域の他端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第１接触部領域を有する第１脚部領域と、前記第２連結部領域の前記梁部領域の一端側の端部から前記梁部領域の一端側に帯状に延び、先端に熱源と接触する第２接触部領域を有する第２脚部領域とに分割する分割工程と、前記金属層を、前記第１脚部領域の基端と先端との間に第１絶縁領域を形成し、前記第１脚部領域における先端側の第１配線領域と前記第１絶縁領域から前記梁部領域を経て前記第２接触領域までの第２配線領域とに電気的に分離するとともに第２脚部領域における前記金属層が前記第１脚部領域よりも幅狭にする金属層加工工程と、前記第１配線領域と前記第２配線領域を接続するようにｐ型またはｎ型のいずれか一方の熱電素子を前記第１脚部領域上にそれぞれ取り付ける熱電素子取付工程とを有するものである。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、熱源から第１脚部及び第２脚部が傾斜して立ち上がるため、各熱電素子が熱源から離れて大きな温度差を熱電素子に生じさせることができるとともに、第１接触部と第２接触部の間隔、位置に自由度があり、熱源に第１接触部と第２接触部を良好に密着させることができるため発電効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態に係る熱電発電デバイスを示す斜視図である。

【図2】熱電発電デバイスを球面に取り付けた状態を模式的に示す説明図である。

【図3】熱電発電デバイス部品を示す斜視図である。

【図4】梁部にヒートシンクを取り付けた熱電発電デバイスを示す斜視図である。

【図5】複数の列モジュールで構成される熱電発電デバイスを示す斜視図である。

【図6】複数の列モジュール領域を有する熱電発電デバイス部品を示す斜視図である。

【図7】熱電発電デバイス周辺の温度分布の数値シミュレーション結果を示す画像である。

【図8】π型構造、フラット型構造を模した熱電発電デバイス周辺の温度分布の数値シミュレーション結果を示す画像である。

【図9】図７、図８の数値シミュレーションにおける熱電素子の温度分布を示すグラフである。

【図10】発電性能を検証した際の各熱電発電デバイスを示す写真である。

【図11】温度と図１０の各熱電発電デバイスの計測された出力との関係を示すグラフである。

【図12】平板と円柱の周面に貼付した複数の列モジュールで構成される熱電発電デバイスを示す写真である。

【図13】平板と円柱の周面に貼付した熱電発電デバイスの温度と出力との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１において、熱電発電デバイス１０は、エンジン、配管、電子機器等の熱源Ｈｓに取り付けて使用される。この熱電発電デバイス１０は、熱電素子Ｅ１、Ｅ２が固定された配線基板１１を所定の形状に変形させたものであり、変形させた状態で熱源Ｈｓに取り付けられる。以下、熱源Ｈｓの上面に熱電発電デバイス１０を取り付けたものとして説明するが、熱源Ｈｓに対する熱電発電デバイス１０の姿勢等を限定するものではない。また、一例として熱電発電デバイス１０を取り付ける熱源Ｈｓの面（以下、熱源面と称する）を平面として説明するが、後述するように、熱電発電デバイス１０を取り付ける熱源面は、平面に限定されるものではない。

【0018】

配線基板１１は、基材としてのベースフィルム１２の上面に金属層１４を形成した構成であり、可撓性を有する。ベースフィルム１２は、絶縁性を有する樹脂、この例ではポリイミドで作製されている。この例では、ベースフィルム１２が可撓性を有しており、配線基板１１の可撓性は主としてベースフィルム１２の可撓性によるものである。金属層１４は、熱伝導性及び導電性の高い金属、この例では銅（Ｃｕ）で作製されている。ベースフィルム１２は、少なくとも金属層１４側の面で絶縁性を有すればよい。基材は、樹脂以外のものでもよく、また異なる材料で作製された複数の層からなる構成でもよい。また、ベースフィルム１２を介して熱源Ｈｓから熱を金属層１４に伝えるため、ベースフィルム１２は熱伝導性の高いものが好ましい。また、金属層１４は、熱伝導性及び導電性の高い材料であればよく、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）等であってもよい。

【0019】

配線基板１１は、梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２の３つの部分に大別される。梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２は、詳細を後述するように、これらの各部となる複数の領域に分割するように切り込みを入れた１枚の配線基板１１を湾曲変形させたものであり、梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２は、それらの面が連続している。

【0020】

梁部２０は、帯状に形成されている。この梁部２０は、第１脚部２１及び第２脚部２２の熱源Ｈｓへの取り付け状態に応じて湾曲したり、ねじれたりし、それらの程度も変わる。以下、梁部２０、第１脚部２１及び第２脚部２２の幅方向をＹ方向、図１における上下方向をＺ方向、Ｙ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向（図中左右方向）をＸ方向として説明する。

【0021】

梁部２０は、Ｘ方向の各端部の側縁からＹ方向に突出した第１連結部２０ａ及び第２連結部２０ｂを有している。第１連結部２０ａは、梁部２０の一端部の一方の側縁（図中、手前側の側縁）から突出し、第２連結部２０ｂは、梁部２０の他端部の他方の側縁（図中、奥側の側縁）から突出している。すなわち、第２連結部２０ｂは、第１連結部２０ａとは逆向きに突出している。第１連結部２０ａ及び第２連結部２０ｂは、その幅（Ｙ方向の長さ）が第１脚部２１及び第２脚部２２と同じにされている。

【0022】

第１脚部２１は、第１連結部２０ａから帯状に延びた脚本体２１ａと、この脚本体２１ａの先端に設けた第１接触部２１ｂとを有している。脚本体２１ａは、その基端が第１連結部２０ａの梁部２０の他端側の端部に繋がっており、図中右斜め下方に延びている。すなわち、脚本体２１ａは、梁部２０の金属層１４と反対の下面側において、第１連結部２０ａから梁部２０の他端側への向き（図中右方向）かつ梁部２０から離れる向き（図中下向き）に延びた状態にされ、梁部２０に対して傾斜している。

【0023】

第１脚部２１は、脚本体２１ａの先端が脚本体２１ａよりも幅広にされており、その幅広の部分が第１接触部２１ｂとなっている。第１接触部２１ｂは、その下面を熱源面に密着させた状態にして、例えば貼付することで取り付けられる。

【0024】

第２脚部２２は、第２連結部２０ｂから帯状に延びた脚本体２２ａと、この脚本体２２ａの先端に設けた第２接触部２２ｂとを有している。脚本体２２ａは、その基端が第２連結部２０ｂの梁部２０の一端側の端部に繋がっており、図中左斜め下方に延びている。すなわち、脚本体２２ａは、梁部２０の下面側において、第２連結部２０ｂから梁部２０の一端側への向き（図中左方向）かつ梁部２０から離れる向き（図中下向き）に延びた状態にされ、梁部２０に対して傾斜している。

【0025】

第１脚部２１は、脚本体２１ａの先端が脚本体２１ａよりも幅広にされており、その幅広の部分が第１接触部２１ｂとなっている。同様に、第２脚部２２は、脚本体２２ａの先端が脚本体２２ａよりも幅広にされており、その幅広の部分が第２接触部２２ｂとなっている。第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂの下面を熱源面に密着させて例えば貼付することで、熱電発電デバイス１０は、熱源Ｈｓに取り付けられる。第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂは、互いにＸ方向に間隔をあけた状態で熱源面に密着される。また、第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂは、熱電発電デバイス１０の電力を取り出すための一対の電極としても機能する。なお、この例では、第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂを脚本体２１ａ、２２ａよりも幅広としているが、これに限定されず、脚本体２１ａ、２２ａと同じ幅としてもよい。

【0026】

第１脚部２１（脚本体２１ａ）の基端と先端との間に、金属層１４を電気的に分離する第１絶縁領域２７が設けられ、第２脚部２２（脚本体２２ａ）の基端と先端との間には、金属層１４を電気的に分離する第２絶縁領域２８が設けられている。この例では、第１絶縁領域２７及び第２絶縁領域２８は、金属層１４の金属がないギャップとして形成されている。これにより、金属層１４は、第１脚部２１の先端側の第１配線領域１４ａと、第２脚部２２の先端側の第２配線領域１４ｂと、第１絶縁領域２７から梁部２０を介して第２絶縁領域２８までの接続配線領域１４ｃとに電気的に分離されている。第１配線領域１４ａは、第１接触部２１ｂ及び第１接触部２１ｂから第１絶縁領域２７までの金属層１４の領域であり、第２配線領域１４ｂは、第２接触部２２ｂ及び第２接触部２２ｂから第２絶縁領域２８までの金属層１４の領域である。

【0027】

熱電素子Ｅ１は、ｐ型のものであり、金属層１４の第１配線領域１４ａと接続配線領域１４ｃとを接続するように第１絶縁領域２７の位置、すなわち脚本体２１ａ上に実装される。熱電素子Ｅ２は、ｎ型のものであり、金属層１４の第２配線領域１４ｂと接続配線領域１４ｃとを接続するように第２絶縁領域２８の位置、すなわち脚本体２２ａ上に実装される。熱電素子Ｅ１、Ｅ２は、第１配線領域１４ａ、第２配線領域１４ｂ、接続配線領域１４ｃに、例えば半田付けされて電気的にそれぞれ接続される。

【0028】

熱電素子Ｅ１の取り付け位置すなわち第１絶縁領域２７の形成位置は、脚本体２１ａが湾曲する基端部分でなく平面となる部分にする。これにより、熱電素子Ｅ１の脱落等を防止する。同様に、熱電素子Ｅ２の取り付け位置すなわち第２絶縁領域２８の形成位置は、脚本体２２ａが湾曲する基端部分ではなく平面となる部分にし、熱電素子Ｅ２の脱落等を防止する。熱電素子Ｅ１、Ｅ２を熱源Ｈｓから離して熱電素子Ｅ１、Ｅ２の両端に生じる温度差を大きくする観点からは、脚本体２１ａ、２２ａの先端から離れ基端に近い位置に設けることが好ましい。

【0029】

上述のように熱電発電デバイス１０は、熱源Ｈｓの熱源面に第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂを密着させた状態に取り付けられる。熱電発電デバイス１０をＹ方向から見たときに、脚本体２１ａと脚本体２２ａとが交差してＸ字状になるように、第２接触部２２ｂを第１接触部２１ｂよりも梁部２０の一端側（図中左側）となる位置に固定する。これにより、梁部２０は、熱源Ｈｓの上方に離れて配置される。また、脚本体２１ａ、２２ａがそれぞれ熱源面より斜め上方に立ち上がった姿勢になるため、熱電素子Ｅ１、Ｅ２が熱源面から上方に大きく離れて配置される。このような立体的な配線基板１１の構造は、シートに切れ込みを入れた切り紙構造と呼ばれるものと同様なものである。

【0030】

熱電発電デバイス１０では、主として金属層１４が熱伝導を担い、金属層１４の第１配線領域１４ａ、第２配線領域１４ｂによって熱源Ｈｓからの熱を熱電素子Ｅ１、Ｅ２の一端に伝えてそれらの一端の温度を高くする。また、接続配線領域１４ｃ、主として梁部２０の領域が放熱し、熱電素子Ｅ１、Ｅ２の他端の温度を効果的に低くする。このように熱電素子Ｅ１、Ｅ２に温度差を発生させて、熱電発電デバイス１０に生じる起電力を第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂから取り出す。高温源となる熱源Ｈｓの熱源面と、低温源となる梁部２０の距離が大きくなるため、高い発電効率が得られる。また、熱電素子Ｅ１、Ｅ２が熱源面から上方に大きく離れて配置されるため、より高い発電効率が得られる。

【0031】

ところで、熱電発電デバイス１０は、上記のような構造を有することにより、熱電素子Ｅ１、Ｅ２を脱落させるような力を作用させることなく、配線基板１１を変形できる自由度を有し、取り付けることができる熱源面の形状に大きな自由度を有する。このため、曲面、例えば円筒面や球面にも熱電発電デバイス１０を取り付けて高い発電効率を得ることができる。

【0032】

図２は、球面の熱源面Ｈｓａに熱電発電デバイス１０を取り付けた状態を模式的に示している。球面の熱源面Ｈｓａに熱電発電デバイス１０を取り付けた場合、Ｙ方向に見た熱源面Ｈｓａの周方向については、脚本体２１ａと第１接触部２１ｂとの角度、脚本体２２ａと第２接触部２２ｂとの角度が変化し、その周方向沿って第１接触部２１ｂ及び第２接触部２２ｂを湾曲させて、それらを熱源面Ｈｓａに密着させることができる。

【0033】

一方、Ｘ方向に見た熱源面Ｈｓａの周方向についても、第１接触部２１ｂ及び第２接触部２２ｂを湾曲させることで、第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂを熱源面Ｈｓａに密着させることができる。この場合に、熱源面Ｈｓａ上における第１脚部２１、第２脚部２２の先端の各位置が、当該周方向にずれ、脚本体２１ａ、２２ａが放射状に開くことになるが、この放射状の開きは、梁部２０の捻れの変形によって許容される。したがって、半田付けされた熱電素子Ｅ１、Ｅ２を剥がすような力を生じさせる変形は、脚本体２１ａ、２２ａにほとんどない。このため、熱源面Ｈｓａに第１接触部２１ｂ、第２接触部２２ｂを密着させることができ、高い発電効率を維持できる。

【0034】

熱電発電デバイス１０は、第１接触部２１ｂと第２接触部２２ｂとのＸ方向における間隔を変えても、脚本体２１ａ、２２ａの基端部分と先端部分との湾曲の程度、脚本体２１ａ、２２ａの傾斜の程度が変化するだけで熱電素子Ｅ１、Ｅ２を脱落させるような力を作用させることなく、第１接触部２１ｂと第２接触部２２ｂを熱源面に密着させることができる。また、脚本体２１ａ、２２ａが放射状に開いた場合と同様に、梁部２０の捻れの変形によって、Ｙ方向における第１接触部２１ｂと第２接触部２２ｂとの相対的な位置を変えても、第１接触部２１ｂと第２接触部２２ｂを熱源面に密着させることができる。このように、熱電発電デバイス１０は、熱源面に対する取り付けに自由度があり、またそれにより高い発電効率を得ることができる。

【0035】

さらに、上記のように熱電発電デバイス１０は、第１接触部２１ｂと第２接触部２２ｂの取り付けについて自由度があることは、熱源に第１接触部２１ｂと第２接触部２２ｂを固定した後の熱源の取り付け面の曲げにも対応できることも意味する。

【0036】

図３は、熱電発電デバイス１０となる熱電発電デバイス部品３０を示している。熱電発電デバイス部品３０は、後述するようにカット線Ｃ１、Ｃ２を入れた平板状の配線基板（以下、デバイス部品基板と称する）３１に熱電素子Ｅ１、Ｅ２を実装したものである。デバイス部品基板３１は、それを立体的に変形させることで上述の配線基板１１となるものであり、ベースフィルム１２の表面に金属層１４を層設した構造である。

【0037】

デバイス部品基板３１は、矩形状であって、カット線Ｃ１、Ｃ２により、梁部２０となる梁部領域４０、第１脚部２１となる第１脚部領域４１及び第２脚部２２となる第２脚部領域４２に分割されている。梁部領域４０、第１脚部領域４１、第２脚部領域４２は、立体的に変形された梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２を平面とした形状である。また、第１脚部領域４１に第１絶縁領域２７が、第２脚部領域４２に第２絶縁領域２８がそれぞれ形成され、金属層１４が第１配線領域１４ａ、第２配線領域１４ｂ、接続配線領域１４ｃに電気的に分離されている。

【0038】

デバイス部品基板３１は、ベースフィルム１２の表面に金属層１４を形成した基板にカット線Ｃ１、Ｃ２を形成するとともに、第１絶縁領域２７、第２絶縁領域２８を形成することで作製される。

【0039】

カット線Ｃ１、Ｃ２を形成する手法は、特に限定されずデバイス部品基板３１の材料等に応じた手法を用いればよい。例えばレーザー加工でカット線Ｃ１、Ｃ２を形成することができる。熱電発電デバイス部品３０におけるカット線Ｃ１、Ｃ２は、カット線Ｃ１、Ｃ２を挟んで隣接する領域を完全に切り離した状態にしなくてもよい。例えば熱源Ｈｓに装着する際に、カット線Ｃ１、Ｃ２を、その部分で容易に切り離せる程度の例えば溝状切り込みとしてもよい。なお、上記各領域の分割は、デバイス部品基板３１上の領域同士の仮想的な境界とともにカット線Ｃ１、Ｃ２によってデバイス部品基板３１を所定の領域に分けることである。

【0040】

第１絶縁領域２７及び第２絶縁領域２８は、例えば金属層１４をエッチングすることで形成される。第１絶縁領域２７及び第２絶縁領域２８の形成の手法は、これに限定されない。例えば、金属層１４を蒸着やメッキ等によりベースフィルム１２の表面に形成する際に、第１絶縁領域２７及び第２絶縁領域２８となる部分にマスクして金属層１４が形成されないようにしてもよい。

【0041】

梁部領域４０は、デバイス部品基板３１のほぼ中央に、デバイス部品基板３１の長手方向（Ｘ方向）に延びるように設けられ、その両端に側縁から突出する第１連結部領域４０ａ、第２連結部領域４０ｂがそれぞれ形成されている。第１連結部領域４０ａ、第２連結部領域４０ｂは、第１連結部２０ａ、第２連結部２０ｂとなる領域であり、互いに逆向きに突出している。したがって、梁部領域４０は、デバイス部品基板３１のほぼ中心についてほぼ点対称な形状に形成されている。

【0042】

第１脚部領域４１は、第１連結部領域４０ａの梁部領域４０の他端側の端部から梁部領域４０の他端側に向かう帯状に延び、先端が梁部領域４０側に広がるように幅広にされて、Ｌ字形状に設けられている。第１脚部領域４１のうち脚本体２１ａとなる脚本体領域４１ａは梁部領域４０に沿って（Ｘ方向）に延びており、幅広にされて第１接触部２１ｂとなる第１接触部領域４１ｂは、第２連結部領域４０ｂを含む梁部領域４０の他端に隣接している。

【0043】

第２脚部領域４２は、第２連結部領域４０ｂの梁部領域４０の一端側の端部から梁部領域４０の一端側に向かう帯状に延び、先端が梁部領域４０側に広がるように幅広にされて、Ｌ字形状に設けられている。第２脚部領域４２のうち脚本体２２ａとなる脚本体領域４２ａは梁部領域４０に沿って（Ｘ方向）に延びており、幅広にされて第２接触部２２ｂとなる第２接触部領域４２ｂは、第１連結部領域４０ａを含む梁部領域４０の一端に隣接している。第１脚部領域４１と第２脚部領域４２とは、デバイス部品基板３１のほぼ中心についてほぼ点対称な形状である、

【0044】

カット線Ｃ１は、第１連結部領域４０ａと第１脚部領域４１の基端との境界を除く、梁部領域４０と第１脚部領域４１との境界に形成されている。したがって、カット線Ｃ１は、Ｌ字状であって、Ｘ方向に延び梁部領域４０と脚本体領域４１ａとをＹ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ１ａと、Ｙ方向に延び梁部領域４０と第１接触部領域４１ｂとをＸ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ１ｂで構成される。

【0045】

同様に、カット線Ｃ２は、第２連結部領域４０ｂと第２脚部領域４２の基端との境界を除く、梁部領域４０と第２脚部領域４２との境界に形成されている。したがって、カット線Ｃ２は、Ｌ字状であって、Ｘ方向に延び梁部領域４０と脚本体領域４２ａとをＹ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ２ａと、Ｙ方向に延び梁部領域４０と第２接触部領域４２ｂとをＸ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ２ｂで構成される。カット線Ｃ１とカット線Ｃ２についても、デバイス部品基板３１のほぼ中心について点対称である。

【0046】

上記線部Ｃ１ａ、Ｃ２ａは、デバイス部品基板３１の長さ（Ｘ方向の長さ）よりも短く、互いにＸ方向にずらして形成されている。線部Ｃ１ｂは、線部Ｃ１ａの線部Ｃ２ａよりもＸ方向に突出した一端から、デバイス部品基板３１の線部Ｃ２ａ側の側縁まで延びている。同様に、線部Ｃ２ｂは、線部Ｃ２ａの線部Ｃ１ａよりもＸ方向に突出した一端から、デバイス部品基板３１の線部Ｃ１ａ側の側縁まで延びている。

【0047】

熱電素子Ｅ１は、金属層１４の第１配線領域１４ａと接続配線領域１４ｃとを接続するように両端が半田付けされて、脚本体領域４１ａ上に実装される。同様に、熱電素子Ｅ２は、金属層１４の第２配線領域１４ｂと接続配線領域１４ｃとを接続するように両端が半田付けされて、脚本体領域４２ａ上に実装される。このように熱電素子Ｅ１、Ｅ２は、平板状のデバイス部品基板３１に実装するため、容易に実装が可能である。

【0048】

上記の熱電発電デバイス部品３０は、第１脚部領域４１、第２脚部領域４２の基端をそれぞれ引き起こしながら梁部領域４０を引き上げるようにデバイス部品基板３１を変形することで熱電発電デバイス１０となる。

【0049】

図４は、梁部２０の上面に複数のフィン４７ａが形成されたヒートシンク４７を設けた熱電発電デバイス１０の例を示している。ヒートシンク４７は、熱伝導性の高い、例えばアルミニウムや銅などの金属であり、梁部２０の上面に固定される。ヒートシンク４７は、例えば梁部２０とともに容易に変形することができるシート状の基材４７ｂにフィン４７ａを設け、その基材４７ｂを梁部２０の上面に貼付することで、熱電発電デバイス１０に取り付けられる。これにより、梁部２０からの放熱性が高められ、より発電効率が高くなる。

【0050】

次に説明する熱電発電デバイスは、二次元的に熱電素子を配列したものである。なお、以下に説明する他は、上記の例と同様であり、実質的に同一機能を有するものには同一の符号を付してその説明を省略する。

【0051】

図５において、熱電発電デバイス５０は、並び方向に複数の列モジュール５１が設けられている。並び方向は、梁部の幅方向（Ｙ方向）と上下方向（Ｚ方向）に直交する方向である。各列モジュール５１は、隣り合う２つの列モジュール５１の間に設けた中間接触部５２によって連結されて、１枚の配線基板１１Ｂとして一体に形成されている。中間接触部５２は、熱電発電デバイス５０のＸ方向の両端に設けた第１接触部５３及び第２接触部５４とともに、熱源面に密着させて取り付けられる。熱電発電デバイス５０の電力は、両端の第１接触部５３と第２接触部５４とから取り出される。

【0052】

各列モジュール５１は、Ｙ方向に梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２の構成が繰り返して配されている。より具体的には、第１脚部２１と第２脚部２２とが梁部２０を挟んで交互に並ぶように、それぞれ複数の梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２が一体に形成されている。すなわち、第１脚部２１と第２脚部２２との各間に梁部２０が設けられ、それぞれの基端が隣接する梁部２０の第１連結部２０ａ、第２連結部２０ｂに連結した構造である。

【0053】

熱電発電デバイス５０の一端(図中右端)に配された１列目の列モジュール５１の各第１脚部２１の先端には、それらに共通な第１接触部５３が、他端(図中左端)に配された４列目の列モジュール５１の各第２脚部２２の先端には、それらに共通な第２接触部５４がそれぞれ一体に設けられている。中間接触部５２は、隣り合う２つの列モジュール５１の一方の列モジュール５１の他方の列モジュール５１側に配される第１接触部または第２接触部の一方と、他方の列モジュール５１の一方の列モジュール５１側に配される第１接触部または第２接触部の他方を一体化したものである。すなわち、中間接触部５２は、隣り合う２つの列モジュール５１の一方の列モジュール５１から他方の列モジュール５１側に延びる脚部の先端と他方の列モジュール５１から一方の列モジュール５１側に延びる脚部の先端とに、それらに共通な接触部として一体に形成されている。

【0054】

図示の例では、例えば２列目の列モジュール５１から３列目の列モジュール５１側に延びる第２脚部２２と３列目の列モジュール５１から２列目の列モジュール５１側に延びる第１脚部２１との先端に、これらに共通な中間接触部５２が形成されている。１列目と２列目の列モジュール５１、３列目と４列目の列モジュール５１に対する中間接触部５２についても同様である。

【0055】

なお、この例では、各列モジュール５１のＹ方向における梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２の配列を同じにしているが、隣り合う列モジュール５１の間でＹ方向における第１脚部２１同士、第２脚部２２同士の位置をずらした構成にしてもよい。また、各列モジュール５１における梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２の配列の個数は、限定されず、より多くの梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２を設けてもよく、一組の梁部２０、第１脚部２１、第２脚部２２としてもよい。

【0056】

各第１脚部２１及び各第２脚部２２に第１絶縁領域２７及び第２絶縁領域２８を設けることにより、金属層１４は、互いに電気的に分離された第１配線領域６４ａ、第２配線領域６４ｂ、３つの中間配線領域６４ｃ及び４つの接続配線領域６４ｄが形成されている。第１配線領域６４ａは、１列目の列モジュール５１の各第１脚部２１の先端側の領域と第１接触部５３の領域とが一体になった金属層１４の領域である。第２配線領域６４ｂは４列目の列モジュール５１の各第２脚部２２の先端側の領域と第２接触部５４の領域とが一体になった金属層１４の領域である。中間配線領域６４ｃは、中間接触部５２の領域と上述のように中間接触部５２に一体にされた各第１脚部２１と各第２脚部２２の先端側の領域とが一体になった金属層１４の領域であり、中間接触部５２ごとに形成されている。接続配線領域６４ｄは、列モジュール５１ごとに設けられており、各第１脚部２１の第１絶縁領域２７よりも基端側の領域、各第２脚部２２の第２絶縁領域２８よりも基端側の領域及び各梁部２０の領域を一体にした金属層１４の領域である。

【0057】

上記のように構成される熱電発電デバイス５０は、上述の熱電発電デバイス１０と同様に、熱電素子Ｅ１、Ｅ２を脱落させるような変形を第１脚部２１、第２脚部２２にほとんど生じさせることなく、熱源面の面形状に大きな自由度を有し、円筒面や球面にも取り付けて高い発電効率を得ることができる。また、固定した後の熱源の取り付け面の曲げにも対応できる。

【0058】

図６は、上記熱電発電デバイス５０となる熱電発電デバイス部品７０を示している。熱電発電デバイス部品７０は、配線基板１１Ｂとなるデバイス部品基板７１に、各列モジュール５１に対応した複数の列モジュール領域７２が設けられている。デバイス部品基板７１は、それを立体的に変形させることで上述の配線基板１１Ｂとなるものであり、ベースフィルム１２の表面に金属層１４を層設した構造である。

【0059】

各列モジュール領域７２は、カット線Ｃ１、Ｃ２により、梁部２０、第１脚部２１及び第２脚部２２の並びに対応したパターンで、梁部領域４０、第１脚部領域４１及び第２脚部領域４２に分割されている。また、各列モジュール領域７２の間には、中間接触部５２に対応した中間接触部領域７４が形成され、デバイス部品基板７１の両端には、第１接触部５３、第２接触部５４に対応した第１接触部領域７５、第２接触部領域７６が形成されている。なお、金属層１４は、カット線Ｃ１、Ｃ２、第１絶縁領域２７及び第２絶縁領域２８によって、上述のように第１配線領域６４ａ、第２配線領域６４ｂ、中間配線領域６４ｃ及び接続配線領域６４ｄに分離されているが、図の煩雑化を避けるため、これらの符号の図示を図６では省略する。

【0060】

このデバイス部品基板７１におけるカット線Ｃ１は、図３に示される例のものと同様に、梁部領域４０と第１脚部領域４１及び第１脚部２１と一体にされた中間接触部５２、第１接触部５３に対応する中間接触部領域７４、第１接触部領域７５との境界に形成されている。カット線Ｃ１は、Ｘ方向に延び梁部領域４０と第１脚部領域４１のＸ方向に延びた部分とをＹ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ１ａと、Ｙ方向に延び梁部領域４０と中間接触部領域７４、第１接触部領域７５とをＸ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ１ｂで構成される。

【0061】

２つの梁部領域４０で挟まれる第１脚部領域４１は、２本のカット線Ｃ１によって区画される。また、１つの第１脚部領域４１に注目した場合に、その注目する第１脚部領域４１に対して、２つの梁部領域４０とそれらの間に配された第２脚部領域４２を挟んで、別の第１脚部領域４１がある場合には、注目する第１脚部領域４１を別の第１脚部領域４１側で区画する線部Ｃ１ａは、線部Ｃ１ｂを介して、別の第１脚部領域４１を注目する第１脚部領域４１側で区画する線部Ｃ１ａと繋がるため「コ」字状になる。

【0062】

カット線Ｃ２についてもカット線Ｃ１と同様であり、カット線Ｃ２は、梁部領域４０と第２脚部領域４２及び第２脚部２２と一体にされた中間接触部５２、第２接触部５４に対応する中間接触部領域７４、第２接触部領域７６との境界に形成されている。カット線Ｃ２は、Ｘ方向に延び梁部領域４０と第２脚部領域４２のＸ方向に延びた部分とをＹ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ２ａと、Ｙ方向に延び梁部領域４０と中間接触部領域７４、第２接触部領域７６とをＸ方向に分ける境界に形成された線部Ｃ２ｂで構成され、「コ」字状になるものがある。

【0063】

上記の各例では、ｐ型の熱電素子とｎ型の熱電素子との両方を用いた構成について説明しているが、熱電発電デバイスは、ｐ型の熱電素子とｎ型の熱電素子のいずれか一方の熱電素子だけを例えば第１脚部上に設けた構成としてもよい。この構成では、第１脚部に設けた第１絶縁領域により、金属層を第１脚部における先端側の第１配線領域と、第１絶縁領域から梁部を経て第２接触部までの第２配線領域とに電気的に分割し、熱電素子を第１配線領域と第２配線領域を接続するように第１脚部上に取り付ければよい。熱電素子を取り付けない第２脚部の金属層は、その幅を第１脚部の金属層よりも狭くして熱抵抗を高くし、第１脚部上の熱電素子の両端に大きな温度差が生じるようにする。第２脚部の金属層の幅を狭くする手法は限定されない。例えば金属層をエッチングにより、あるいは金属層を蒸着やメッキ等によりベースフィルムの表面に形成する際のマスクにより第２脚部の金属層の幅を狭くすることができる。第１絶縁領域及び第２絶縁領域の形成と、第２脚部の金属層の幅を狭くする加工とを同時に行ってもよく、別々のタイミングで行うこともできる。なお、第１脚部と第２脚部のベースフィルムの幅を同じにして第２脚部の金属層の幅のみを第１脚部のものよりも狭くする他に、第２脚部自体すなわちベースフィルム及び金属層の幅を第１脚部のものよりも狭くしてもよい。また、このような構成を用いて列モジュールを形成し、その列モジュールによる熱電発電デバイスとすることもでき、複数の列モジュールを並べて図５の例と同様な熱電発電デバイスとすることもできる。

【0064】

上述のように構成される熱電発電デバイス１０を高温熱源に取り付けた場合における脚部（第１脚部２１または第２脚部２２）と梁部２０の周辺の温度分布のシミュレーション結果を図７に示す。このシミュレーション結果は、大気中で梁部２０が熱源Ｈｓの上方に配置した状態を数値シミュレーションしたものであり、図７では濃度が高いほど温度が高いことを示している。同様に、一般的なπ型の構造やフラット型の構造の熱電発電デバイスを模して、熱電素子を基板上に配置し、この基板を高温熱源に密着させた場合における温度分布の数値シミュレーション結果を示す図８に示す。さらに、図９に、図７及び図８に示すシミュレーションにおける熱電素子内の温度分布を示す。なお、図９中の符号Ａで示すグラフが熱電発電デバイス１０のものであり、符号Ｂで示すグラフがπ型またはフラット型の構造の熱電発電デバイスを模したものである。

【0065】

このシミュレーション結果からわかるように、熱電発電デバイス１０は、熱電素子Ｅ１、Ｅ２が高温熱源から離れるため、温度境界層の外側に熱電素子Ｅ１、Ｅ２が配置可能となり、熱電素子Ｅ１、Ｅ２内に大きな温度差を生じさせることができることがわかる。これに対して、一般的なπ型の構造やフラット型の構造の熱電発電デバイスでは、温度境界層の内部に熱電素子が存在し、熱電素子内に温度差が生じにくいことがわかる。したがって、上述の熱電発電デバイス１０、５０等の構造によって、発電効率が向上することがわかる。

【0066】

次に上記構成の熱電発電デバイス１０とともに、π型構造及びフラット型構造の各熱電発電デバイスを作製し、発電性能を調べた。作製した熱電発電デバイス１０を図１０（Ａ）に、π型構造の熱電発電デバイスを図１０（Ｂ）に、フラット型構造の各熱電発電デバイスを図１０（Ｃ）にそれぞれ示す。なお、いずれの熱電発電デバイスについても、同じ性能を有する熱電素子を用いて作製した。また、フラット型構造の熱電発電デバイスは、熱電発電デバイス１０を平面的にした構成、すなわち熱電発電デバイス部品３０とほぼ同じ構成、形状とした。

【0067】

上記３種類の熱電発電デバイスで使用した配線基板は、金属層が銅（厚み８μｍ）、ベースフィルムがポリイミド（厚み２５μｍ）からなるポリイミド銅基板であり、使用した熱電素子はBiTe系のもの（p型：Bi_0.3Sb_1.7Te₃、n型：Bi₂Te₃+Ru，寸法：２×２×１ｍｍ）とした。熱源温度を４０℃から１００℃まで変化させた場合の各熱電発電デバイスの出力を計測した。この計測結果を図１１に示す。なお、図１１では、熱電発電デバイス１０の計測結果は、切り紙型熱電発電デバイスとして示している。熱電発電デバイス１０は、π型構造の熱電発電デバイスに対して約７．３倍，フラット型構造の熱電発電デバイスに対して約１３．４倍の高い出力が得られ、発電効率が高いことがわかった。

【0068】

さらに、図５に示す熱電発電デバイス５０を作製し、曲面に貼付した場合の発電性能を検証した。この検証では、熱電発電デバイス５０を熱源となる平板に貼付した場合と、熱電発電デバイス５０を熱源となる円柱の周面に貼付した場合について、熱電発電デバイス５０の出力をそれぞれ計測した。熱電発電デバイス５０を熱源となる平板に貼付した状態を図１２（Ａ）に、円柱の周面に貼付した状態を図１２（Ｂ）にそれぞれ示す。また、熱電発電デバイス５０に用いた配線基板１１Ｂと熱電素子Ｅ１、Ｅ２は、上記のものと同じにした。

【0069】

熱電発電デバイス５０の出力をそれぞれ計測した各結果を図１３に示す。熱源温度１００℃において、熱電発電デバイス５０を平板に貼付した場合の出力が２０８μＷであった。また、円柱の周面に貼付した場合では、出力が２１４μＷであった。これは、熱電発電デバイス５０を曲面に貼付しても、熱電発電性能がほぼ変わらないことを示している。

【符号の説明】

【0070】

１０、５０ 熱電発電デバイス
１１、１１Ｂ 配線基板
１２ ベースフィルム
１４ 金属層
１４ａ 第１配線領域
１４ｂ 第２配線領域
１４ｃ 接続配線領域
２０ 梁部
２０ａ 第１連結部
２０ｂ 第２連結部
２１ 第１脚部
２１ａ、２２ａ 脚本体
２１ｂ、５３ 第１接触部
２２ 第２脚部
２２ｂ、５４ 第２接触部
２７ 第１絶縁領域
２８ 第２絶縁領域
３０、７０ 熱電発電デバイス部品
４０ 梁部領域
４０ａ 第１連結部領域
４０ｂ 第２連結部領域
４１ 第１脚部領域
４１ｂ、７５ 第１接触部領域
４２ 第２脚部領域
４２ｂ、７６ 第２接触部領域
４７ ヒートシンク
４７ａ フィン
５１ 列モジュール
５２ 中間接触部
６４ａ 第１配線領域
６４ｂ 第２配線領域
６４ｃ 中間配線領域
６４ｄ 接続配線領域
７０ 熱電発電デバイス部品
７２ 列モジュール領域
７４ 中間接触部領域
Ｃ１、Ｃ２ カット線
Ｅ１、Ｅ２ 熱電素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】