(57)【要約】【課題】  製造が容易で安価な熱電変換モジュールと製造方法を提供する。【解決手段】Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０の対応する素子嵌合孔３にそれぞれ貫通嵌合し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上下に、互いに間隔を介して配置された複数の電極２を、半田９を介して設ける。電極２を介して対応するＰ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂとを１つずつ、上側と下側とで互いに位置をずらした接続位置で電気的に接続して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路を形成する。それぞれの電極２と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との間に設けられた半田９を絶縁性基板３０側に突出させてその突出先端側を絶縁性基板３０側の面に当接させ、絶縁性基板３０と前記各電極２との間隔を予め定めた設定間隔Ｓに規制して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０に支持する。【選択図】        図１
2006120671.tif 000002
【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半田を介して設けられて前記電極により前記熱電変換素子を上下に挟む態様と成しており、前記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１つずつ上側と下側とで互いに位置をずらした接続位置で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、前記それぞれの電極と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子との間に設けられた半田のうち前記熱電変換素子の上側に設けられた半田の少なくとも１つと前記熱電変換素子の下側に設けられた半田の少なくとも１つがそれぞれ、前記絶縁性基板側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板側の面に当接して該絶縁性基板と前記各電極との間隔を予め定めた設定間隔に規制していることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
絶縁性基板は矩形状に形成され、少なくとも前記絶縁性基板の四角部に設けられた熱電変換素子と対応する電極との間に設けられた半田がそれぞれ、前記絶縁性基板側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板側の面に当接していることを特徴とする請求項１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に貫通嵌合固定されて交互に配置されている。
【０００５】
絶縁性基板３０の素子嵌合孔３の内径は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外径より大きめに形成されており、それにより、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への挿入作業が容易に行えるようになっている。そして、例えば図５（ａ）、（ｂ）に示すように、素子嵌合孔３に挿入された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と素子嵌合孔３との隙間を埋めるように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と絶縁性基板３０とに介設された接着剤１５によって、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が対応する素子嵌合孔３に固定されている。
【０００６】
また、図４に示したように、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（上側）と他端側（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（同図には図示せず）を介して接合されて設けられており、電極２により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を上下に挟む態様と成している。
【０００７】
それぞれの電極２を介し、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１つずつ上側と下側とで互いに位置をずらした接続位置で電気的に直列に接続され、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路（ＰＮ素子対）が形成されている。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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
【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】
【００１１】
しかしながら、上記のように、従来の熱電変換モジュールは、接着剤１５を用いて、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を固定しており、この接着剤１５による固定を良好に行うためには、接着剤１５を均一に塗布して均一に乾燥させなければならないために、その作業が容易でなく、製造歩留まりの低下やコストアップを招くといった問題があった。
【００１２】
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、製造が容易で、安価な熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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半田を介して設けられて前記電極により前記熱電変換素子を上下に挟む態様と成しており、前記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１つずつ上側と下側とで互いに位置をずらした接続位置で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、前記それぞれの電極と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子との間に設けられた半田のうち前記熱電変換素子の上側に設けられた半田の少なくとも１つと前記熱電変換素子の下側に設けられた半田の少なくとも１つがそれぞれ、前記絶縁性基板側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板側の面に当接して該絶縁性基板と前記各電極との間隔を予め定めた設定間隔に規制している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１４】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、絶縁性基板は矩形状に形成され、少なくとも前記絶縁性基板の四角部に設けられた熱電変換素子と対応する電極との間に設けられた半田がそれぞれ、前記絶縁性基板側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板側の面に当接している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】
【００１５】
本発明によれば、熱電変換素子の上下に半田を介して設けられた電極を介して、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１つずつ上側と下側とで互いに位置をずらした接続位置で電気的に接続されているが、それぞれの電極と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子との間に設けられた半田のうち、熱電変換素子の上側と下側のそれぞれ１つ以上が前記絶縁性基板側に突出しており、その突出先端側が前記絶縁性基板側の面に当接して該絶縁性基板と前記各電極との間隔を予め定めた設定間隔に規制しているので、熱電変換素子の絶縁性基板への貫通方向の位置を規制でき、熱電変換素子を絶縁性基板に固定しなくても支持できる。
【００１６】
したがって、本発明によれば、それぞれの熱電変換素子を接着剤によって対応する素子嵌合孔に固定する場合に必要な接着剤の均一塗布や均一乾燥の手間が必要なく、非常に容易に組み立てられるので、製造歩留まりを向上させることができるし、コストも安くできる。
【００１７】
また、本発明において、絶縁性基板は矩形状に形成され、少なくとも前記絶縁性基板の四角部に設けられた熱電変換素子と対応する電極との間に設けられた半田がそれぞれ、前記絶縁性基板側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板側の面に当接している構成によれば、絶縁性基板と前各電極との間隔を予め定めた設定間隔に規制しやすいので、より一層、製造歩留まりを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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側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。なお、図３には、絶縁性基板３０の平面図が示されている。
【００２０】
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おり、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はそれぞれ、従来例と同様の配置態様で互いに間隔を介して配置された複数の電極２が、半田９を介して設けられているが、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。
【００２１】
すなわち、本実施形態例では、それぞれの電極２と対応する各組のＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との間に設けられた半田９は、前記絶縁性基板３０側に突出しており、その突出先端側が前記絶縁性基板３０側の面に当接して該絶縁性基板３０と前記各電極２との間隔Ｓを予め定めた設定間隔に規制していることを特徴とする。なお、間隔Ｓの大きさ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が、本実施形態例では、例えば０．１５ｍｍとしている。
【００２２】
また、本実施形態例では、それぞれの電極２と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との間に設けられた半田９のうち、殆どの半田９が絶縁性基板３０側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板３０側の面に当接しているが、絶縁性基板３０側に突出する半田９の数は、適宜設定される。
【００２３】
つまり、それぞれの電極２と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との間に設けられた半田９のうち熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上側に設けられた半田９の少なくとも１つと、前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の下側に設けられた半田９の少なくとも１つがそれぞれ、前記絶縁性基板３０側に突出してその突出先端側が前記絶縁性基板３０側の面に当接していれば、絶縁性基板３０と前記各電極２との間隔Ｓを予め定めた設定間隔に規制することができる。
【００２４】
また、絶縁性基板３０を矩形状に形成し、少なくとも前記絶縁性基板３０の四角部に設けられた熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と対応する電極２との間に設けられた半田９をそれぞれ、前記絶縁性基板３０側に突出させてその突出先端側を前記絶縁性基板３０側の面に当接させると、絶縁性基板３０と前各電極２との間隔Ｓを予め定めた設定間隔に規制しやすいので好ましい。
【００２５】
本実施形態例は以上のように構成されており、次に、本実施形態例の熱電変換モジュールの製造方法について説明する。まず、図２（ａ）に示すように、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０の対応する素子嵌合孔３にそれぞれ貫通嵌合する。この際、例えば、凹部１６を有する治具１７に絶縁性基板３０を固定し、凹部１６に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を支持する。
【００２６】
なお、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端部（電極２との接触部）には、例えば予めメッキ処理等の表面処理を施しておく。この表面処理は、電極２との導通を行いやすくするために行われるものであり、例えばニッケルメッキの母剤の上に金メッキ層や半田メッキ層を積層する等、適宜の処理が行われる。
【００２７】
そして、前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への挿入の後、図２（ｂ）に示すように、耐熱テープ１８の表面に間隔を介して配列固定した複数の電極２を、半田９を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上側に設ける。なお、半田９は、電極２の表面に印刷等により設けておく。この半田９の量と、半田９を溶融固化させたときの絶縁性基板３０側への突出量との関係を、予め実験等により求めておき、突出量が前記間隔Ｓと等しい値になるように、半田９の量を設定する。
【００２８】
次に、加熱炉等により、半田９を加熱して溶融し、図２（ｃ）に示すように、半田９を絶縁性基板３０の表面１３側に突出させた後、冷却して固化する。その後、前記耐熱テープ１８を剥がし、図２（ｄ）に示すように、絶縁性基板３０を裏返して、上記と同様の作業を行い、図２（ｅ）に示すように、絶縁性基板３０の裏面１４側にも、半田９を突出させる。その後、耐熱テープ１８を剥がし、図１に示すように、リード端子２７とリード線２８とを接続し、熱電変換モジュールを完成させる。
【００２９】
本実施形態例は、以上のように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上下にそれぞれ設けられた電極２と対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との間に半田９を設け、この半田９を絶縁性基板３０側に突出させてその突出先端側を絶縁性基板３０側の面（表面１３および裏面１４）に当接させ、絶縁性基板３０と前記各電極２との間隔を予め定めた設定間隔Ｓに規制しているので、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０への貫通方向の位置を規制できる。
【００３０】
なお、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と絶縁性基板３０の素子嵌合孔３との間隔は、非常に小さいので、電極２に固定された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が絶縁性基板３０の面方向に動くことは殆ど無い。
【００３１】
そのため、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０への貫通方向の位置が規制されれば、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０への固定を行わなくても、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０に支持できるので、本実施形態例では、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を接着剤１５によって素子嵌合孔３に固定する必要が無く、接着剤１５の均一塗布や均一乾燥の手間を省け、非常に容易に組み立てられるので、製造歩留まりを向上させることができるし、コストも安くできる。
【００３２】
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、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。
【００３３】
また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の高さ（上下方向の長さ）や絶縁性基板３０の厚み等は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものでる。そして、この絶縁性基板３０の厚みと熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の高さとによって決定される熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上下の（絶縁性基板３０への貫通方向の）突出長により、電極２と絶縁性基板３０の表面との間隔Ｓが決定されるので、この間隔Ｓに対応させて、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との間に設ける半田９の量を適宜設定するとよい。
【００３４】
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、熱電変換モジュールの形状は特に芸呈されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば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。
【００３５】
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】
【００３６】
【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側面図により模式的に示す説明図である。
【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】上記熱電変換モジュールに適用される絶縁性基板の一例を示す説明図である。
【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。
【図５】従来の熱電変換モジュールにおける絶縁性基板への熱電変換素子固定方法例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
２  電極
３  素子嵌合孔
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
９  半田
３０  絶縁性基板
【図１】
2006120671.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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