(57)【要約】【課題】  使用しやすく、効率良く機能できる熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】絶縁性基板３０の複数の素子嵌合孔３のそれぞれに、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合する。熱電変換素子５の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ互いに間隔を介して複数の電極２を設けて熱電変換素子５を電気的に接続し、熱電変換素子５の回路を形成する。また、熱電変換素子５の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側には、片面側に絶縁膜８を形成して成る金属板７を、絶縁膜８の形成面を熱電変換素子５側に向け、電極２を介して該熱電変換素子５を挟む態様で配置し、金属板７と電極２とは絶縁膜８により絶縁する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、互いに間隔を介して配置された複数の電極が設けられ、該電極を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側には、片面側に絶縁膜を形成して成る金属板が前記絶縁膜の形成面を前記熱電変換素子側に向け、前記電極を介して前記熱電変換素子を挟む態様で配置され、前記金属板と前記電極とは前記絶縁膜により絶縁されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
絶縁膜はセラミックにより形成されたセラミック薄膜としたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
絶縁膜は化学蒸着により形成された絶縁被膜としたことを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
金属板はアルマイトされたアルミニウム板により形成したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられており、様々な熱電変換モジュールの構成が提案されている。図４（ａ）には、代表的な熱電変換モジュールの構造の一例が示されている。この熱電変換モジュールはペルチェモジュールであり、複数の素子嵌合孔３を有する絶縁性基板（絶縁支持板）３０の素子嵌合孔３に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合して形成されている（例えば特許文献１、２、参照。）。
【０００３】
ペルチェモジュールの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型（ｐ型）の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型（ｎ型）の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型およびＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、例えば長さが０．５〜３．０ｍｍ程度のビスマス・テルル等の半導体単結晶で構成されている。
【０００４】
前記絶縁性基板３０は、例えば厚さが０．２〜１．０ｍｍ程度の電気絶縁物の板、例えばガラスエポキシ板により構成されており、この絶縁性基板３０の上下側に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が、例えば０．１〜１．６ｍｍ程度突出するように、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂが、それぞれ、対応する素子嵌合孔３に貫通嵌合されて交互に配置されている。
【０００５】
Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側（ここでは上側）と他端側（ここでは下側）には、それぞれ電極２が配置されている。これらの電極２はいずれも半田付け等により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されており、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、対応する電極２を介して電気的に直列に接続されて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路（ＰＮ素子対）が形成されている。なお、図に半田は図示されていない。また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路は、図示されていないリード端子とリード線を介して電源回路等に接続されている。
【０００６】
上記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電極２を介して電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００７】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が発熱せしめられると、この熱がペルチェモジュールの上側に設けられた部材に伝えられ、この部材の加熱が行われる。また、その逆に、ペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の例えば上端部が冷却せしめられると、ペルチェモジュールの上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１８１３６２号公報
【特許文献２】特開平１０−１７８２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記のようなペルチェモジュールの熱電変換モジュールは、例えばレーザダイオード等の冷却対象物の冷却等に用いられるが、この冷却対象物を熱電変換モジュールの上側電極２の上側に直接搭載してしまうと、冷却対象物が電気伝導性を有している場合には、冷却対象物と電極２との間で導通が生じ、電極２同士が導通して電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続回路が正常に作動しなくなってしまう。
【００１０】
そこで、従来は、例えば上側電極２の上側に絶縁シートを載せ、その上に冷却対象物を載せるといった使い方をしていたが、絶縁シートは扱いにくいために、絶縁シートを冷却対象物と熱電変換モジュールとの間に挟んで使用する方法は、使用上の作業性が悪いといった問題があった。特に、熱電変換モジュールを、図４（ｂ）に示すように立てて配置にする場合は、やりにくかった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、使用しやすく、効率良く機能できる熱電変換モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明の熱電変換モジュールは、複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、互いに間隔を介して配置された複数の電極が設けられ、該電極を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側には、片面側に絶縁膜を形成して成る金属板が前記絶縁膜の形成面を前記熱電変換素子側に向け、前記電極を介して前記熱電変換素子を挟む態様で配置され、前記金属板と前記電極とは前記絶縁膜により絶縁されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１３】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記絶縁膜はセラミックにより形成されたセラミック薄膜とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１４】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記絶縁膜は化学蒸着により形成された絶縁被膜とした構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１５】
さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記金属板はアルマイトされたアルミニウム板により形成した構成をもって課題を解決する手段としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱電変換モジュールによれば、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子がその一端側と他端側に配置された複数の電極を介して電気的に接続されており、この電極と熱電変換素子を挟む態様で設けられた金属板の片面側には絶縁膜が形成されていて、この絶縁膜により金属板と前記電極とが絶縁されているので、例えば熱電変換モジュールと接触配置される（例えば熱電変換モジュール上に搭載される）冷却対象物や加熱対象物等が電気伝導性を有していても、この電気伝導性により電極同士が導通することを防げる。
【００１７】
したがって、本発明は、従来のように、熱電変換モジュール上に絶縁シートを載せて、この絶縁シートを介して冷却対象物や加熱対象物を載せる場合のような使いにくさはなく、作業性良く熱電変換モジュールを使用することができる。また、金属板は熱伝導性が高いので、熱電変換モジュールと冷却対象物や加熱対象物等との熱伝導は良好に行うことができる。
【００１８】
つまり、本発明の熱電変換モジュールは、使用しやすく、かつ、効率良く機能できる熱電変換モジュールを実現できる。
【００１９】
また、本発明において、絶縁膜はセラミックにより形成されたセラミック薄膜とした構成によれば、セラミック薄膜は絶縁性に優れ、かつ、形成しやすく、さらに、熱伝導性も比較的良好なので、金属板にセラミック薄膜を容易に形成して、上記効果を発揮することができる。
【００２０】
さらに、本発明において、絶縁膜は化学蒸着により形成された絶縁被膜とした構成によれば、化学蒸着によって、容易に、かつ、的確な膜厚の絶縁被膜を金属板の片面に形成でき、上記効果を発揮できる。
【００２１】
さらに、金属板はアルマイトされたアルミニウム板により形成した構成によれば、アルマイトされたアルミニウム板は一般の（アルマイトされていない）アルミニウム等の金属に比べて絶縁性があるので、金属板をアルマイトされたアルミニウム板とすると、その片面に形成する絶縁膜の厚みが薄くても金属板と電極とを絶縁することができる。そのため、金属板をアルマイトされたアルミニウム板により形成すると、絶縁膜の形成に要する時間を短くできるので短時間で熱電変換モジュールを製造でき、かつ、絶縁膜の厚みを薄くできる分だけ材料費も安くでき、コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２３】
図１には、本発明に係る熱電変換モジュールの一実施形態例が模式的な断面図により示されている。同図に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュール１も、図４（ａ）に示した熱電変換モジュールと同様に、例えばガラス繊維強化のエポキシ樹脂により形成された絶縁性基板３０を有しており、該絶縁性基板３０には、図３に示すように、互いに間隔を介して複数の素子嵌合孔３が形成されている。また、本実施形態例でも、従来例と同様に、それぞれの素子嵌合孔３には、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が貫通嵌合固定されている。
【００２４】
図１に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側（ここでは熱電変換素子５の上側と下側）にはそれぞれ、互いに間隔を介して配置された複数の電極２が設けられ、該電極２を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂとが電気的に接続されて熱電変換素子５の回路が形成されている。なお、熱電変換素子５の上側に配置された電極２と下側に配置された電極２とは、互いに位置をずらして配設されており、前記熱電変換素子５の回路はリード線２８を介して電源回路等の電気回路に接続されている。
【００２５】
そして、本実施形態例は、以下に示すような特徴的な構成を有している。つまり、本実施形態例は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側に、片面側に絶縁膜８を形成して成る金属板７を、絶縁膜８の形成面を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて配置して形成されている。この金属板７は、電極２を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を挟む態様で配置されており、本実施形態例は、金属板７と電極２とが絶縁膜８により絶縁されていることを特徴とする。
【００２６】
絶縁膜８はセラミックにより形成された、膜厚が１０００Å〜３０００Åのセラミック薄膜としており、金属板７はアルマイトされたアルミニウム板により形成されている。また、絶縁膜８と電極２との間には、シリコン等の熱伝導グリースや熱伝導接着剤を設けて、金属板７を電極２側に固定している。
【００２７】
本実施形態例は以上のように構成されており、図２に示すように、従来例に示したような熱電変換モジュールの上下両側に、金属板７を絶縁膜８の形成面側を電極２側に向けて配置し、金属板７で電極２を介して熱電変換素子５を挟む態様として金属板７を電極２側に固定する。
【００２８】
このように、本実施形態例の熱電変換モジュールは、電極２を介して該熱電変換素子５を挟む態様で金属板７を設け、この金属板７の片面側に形成した絶縁膜８により、金属板７と前記電極２とを絶縁しているので、例えば熱電変換モジュールと接触配置される（例えば熱電変換モジュール上に搭載される）冷却対象物や加熱対象物等が電気伝導性を有していても、この電気伝導性により電極同士が導通することを防げる。
【００２９】
したがって、本実施形態例によれば、従来のように、熱電変換モジュール上に絶縁シートを載せて、この絶縁シートを介して冷却対象物や加熱対象物を載せる場合のような使いにくさはなく、作業性良く熱電変換モジュールを使用することができるし、金属板７は熱伝導性が高いので、熱電変換モジュールと冷却対象物や加熱対象物等との熱伝導は良好に行うことができる。
【００３０】
つまり、本実施形態例の熱電変換モジュールは、使用しやすく、かつ、効率良く機能できるペルチェモジュール等の熱電変換モジュールを実現できる。
【００３１】
また、実施形態例において、絶縁膜８は、絶縁性に優れ、かつ、形成しやすく、熱伝導性も比較的良好なセラミックにより形成されたセラミック薄膜としているので、金属板７にセラミック薄膜を容易に形成して、上記効果を発揮することができる。
【００３２】
さらに、本実施形態例において、金属板７はアルマイトされたアルミニウム板により形成されており、アルマイトされたアルミニウム板は一般のアルミニウム等の金属に比べて絶縁性があるので、絶縁膜８の厚みが薄くても金属板７と電極２とを絶縁することができる。したがって、絶縁膜８の形成に要する時間を短くできるので短時間で熱電変換モジュールを製造でき、かつ、絶縁膜８の厚みを薄くできる分だけ材料費も安くでき、コストの低減を図ることができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記実施形態例では、絶縁膜８はセラミック薄膜としたが、絶縁膜８は必ずしもセラミック薄膜とするとは限らず、セラミック以外の薄膜としてもよい。また、絶縁膜８は、ＣＶＤ（化学蒸着）によりポリパラキシリデン等をコーティングして形成してもよい。この場合も薄い絶縁被膜が形成でき、熱電変換モジュールにより例えば冷却対象物の冷却や加熱対象物の加熱の効果を効率的に発揮することができる。
【００３４】
さらに、上記実施形態例では、絶縁膜８の膜厚を１０００Å〜３０００Åとしたが、絶縁膜８の膜厚は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【００３５】
さらに、上記実施形態例では、金属板７をアルマイトされたアルミニウム板としたが、金属板７は必ずしもアルマイトされたアルミニウム板とするとは限らず、アルマイトされていないアルミニウム等の他の金属製の板としてもよい。また、金属板７を銅により形成すると、銅は熱伝導性が非常に良好であり、熱電変換モジュールによる冷却や加熱をより効率的に行うことができるので、好ましい。
【００３６】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を断面形状が矩形状の素子としたが、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の形状は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば、その断面形状が円形状の素子としてもよいし、他の形状の素子としてもよい。
【００３７】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換モジュールは、いずれも平面形状を略四角形状に形成したが、平面形状が略円形状の熱電変換モジュールとしてもよい。
【００３８】
さらに、上記説明は熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールの構造について例を挙げて説明したが、本発明の熱電変換モジュールの構造は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールの構造にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの構造の一実施形態例を模式的に示す断面説明図である。
【図２】上記実施形態例の熱電変換モジュールの製造工程例を示す説明図である。
【図３】本発明に係る熱電変換モジュールに適用される絶縁性基板の例を示す平面説明図である。
【図４】従来の熱電変換モジュールの一例を側面図により示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
２  電極
３  素子嵌合孔
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
７  金属板
８  絶縁膜
３０  絶縁性基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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