(57)【要約】【課題】  組み立てが容易で安価な熱電変換モジュールを提供する。【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、表面に互いに間隔を介して複数の電極２を配列形成したフレキシブル絶縁基板７を設ける。電極２はフレキシブル絶縁基板７と共にフレキシブルに変形可能と成し、電極２を介してＰ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂとを電気的に接続して熱電変換素子の回路を形成する。それぞれの電極２をフレキシブル絶縁基板７と共に熱電変換素子５側にフレキシブルに変形させることにより対応する熱電変換素子５の端部に接触圧で圧接する。【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、表面に互いに間隔を介して複数の電極を配列形成したフレキシブル絶縁基板が前記電極の形成面側を前記熱電変換素子側に向けて配設されており、前記電極は前記フレキシブル絶縁基板と共にフレキシブルに変形可能と成しており、前記熱電変換素子の貫通方向の一端側に配置されたフレキシブル絶縁基板の電極と他端側に配置されたフレキシブル絶縁基板の電極とは互いに位置をずらした状態と成して、前記電極を介して前記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、前記それぞれの電極は前記フレキシブル絶縁基板と共に前記熱電変換素子側にフレキシブルに変形することにより前記熱電変換素子側への接触圧によって対応する熱電変換素子の端部にそれぞれ圧接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】
表面に互いに間隔を介して複数の電極を配列形成した１枚のフレキシブル絶縁基板がその電極形成面側が内側になるように折り曲げられ、前記フレキシブル絶縁基板の電極形成面によって熱電変換素子を一端側と他端側から挟んで形成され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。
【請求項３】
フレキシブル絶縁基板の電極形成面と反対側の面側には、熱伝導弾性部材により形成された弾性シートが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
熱電変換素子の両端側にそれぞれ配置されたフレキシブル絶縁基板のうち少なくとも一方は、熱電変換素子に電気的に接続される複数電極の形成領域と、該電極と前記熱電変換素子との接続回路に接続される電気回路の形成領域とを有し、前記複数電極の形成領域が前記熱電変換素子の配設領域に配置されて熱電変換素子の端部に導通接触している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７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おり、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】
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により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されており、この接合により、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７において、半田は示されていない。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
【特許文献２】特願平８−３５４１３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記のように、絶縁性基板３０に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通固定して成るタイプの熱電変換モジュールにおいて、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側と他端側とに対応する電極２を複数配置して、それぞれ半田付けにより熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合する操作は大変である。そのため、熱電変換モジュールの製造に時間がかかるし、半田付けを的確に行えないこともあるために、製造歩留まりの低下やコストアップを招くといったことや、また、半田付け部は電極２と熱電変換素子５間に熱疲労によるひび割れが生じることがあるといった問題があった。
【００１０】
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、組み立てが容易で、安価な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】
【００１１】
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、表面に互いに間隔を介して複数の電極を配列形成したフレキシブル絶縁基板が前記電極の形成面側を前記熱電変換素子側に向けて配設されており、前記電極は前記フレキシブル絶縁基板と共にフレキシブルに変形可能と成しており、前記熱電変換素子の貫通方向の一端側に配置されたフレキシブル絶縁基板の電極と他端側に配置されたフレキシブル絶縁基板の電極とは互いに位置をずらした状態と成して、前記電極を介して前記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、前記それぞれの電極は前記フレキシブル絶縁基板と共に前記熱電変換素子側にフレキシブルに変形することにより前記熱電変換素子側への接触圧によって対応する熱電変換素子の端部にそれぞれ圧接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。
【００１２】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記表面に互いに間隔を介して複数の電極を配列形成した１枚のフレキシブル絶縁基板がその電極形成面側が内側になるように折り曲げられ、前記フレキシブル絶縁基板の電極形成面によって熱電変換素子を一端側と他端側から挟んで形成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】
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、前記フレキシブル絶縁基板の電極形成面と反対側の面側には、熱伝導弾性部材により形成された弾性シートが設けられている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、前記熱電変換素子の両端側にそれぞれ配置されたフレキシブル絶縁基板のうち少なくとも一方は、熱電変換素子に電気的に接続される複数電極の形成領域と、該電極と前記熱電変換素子との接続回路に接続される電気回路の形成領域とを有し、前記複数電極の形成領域が前記熱電変換素子の配設領域に配置されて熱電変換素子の端部に導通接触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、熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側には、表面に互いに間隔を介して複数の電極を配列形成したフレキシブル絶縁基板が前記電極の形成面側を前記熱電変換素子側に向けて配設され、前記電極は前記フレキシブル絶縁基板と共にフレキシブルに変形可能と成しているので、対応する熱電変換素子同士を接続する態様で電極を個々に設ける場合と異なり、フレキシブル絶縁基板の配設によって、電極を一括して対応する熱電変換素子の端部に対向配置できる。
【００１６】
また、本発明において、それぞれの電極は、フレキシブル絶縁基板と共に前記熱電変換素子側にフレキシブルに変形することにより前記熱電変換素子側への接触圧によって対応する熱電変換素子の端部にそれぞれ圧接されているので、半田付け等により電極部を固定しなくても熱電変換素子と電極部との導通を良好に行えるようになり、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、表面に互いに間隔を介して複数の電極を配列形成した１枚のフレキシブル絶縁基板がその電極形成面側が内側になるように折り曲げられ、前記フレキシブル絶縁基板の電極形成面によって熱電変換素子を一端側と他端側から挟んで形成されている構成によれば、熱電変換モジュールの部品点数を少なくでき、より製造しやすい熱電変換モジュールを実現できる。
【００１８】
さらに、本発明において、フレキシブル絶縁基板の電極形成面と反対側の面側には、熱伝導弾性部材により形成された弾性シートが設けられている構成によれば、弾性シートの弾性変形によって、それぞれの電極を対応する熱電変換素子の端部にそれぞれより的確に圧接できるので、より一層製造歩留まりが高く、使い勝手の良い熱電変換モジュールを実現できる。
【００１９】
さらに、本発明において、熱電変換素子の両端側にそれぞれ配置されたフレキシブル絶縁基板のうち少なくとも一方が、複数電極の形成領域と該電極と前記熱電変換素子との接続回路に接続される電気回路の形成領域とを有して、前記複数電極の形成領域が前記熱電変換素子の端部に導通接触している構成によれば、電極と熱電変換素子との接続回路に接続される電気回路を熱電変換モジュールと別個に設けずに一体化でき、前記接続回路と電気回路との接続も行いやすい熱電変換モジュールを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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７に示した熱電変換モジュールと同様に、絶縁性基板３０を有している。
【００２２】
図３に示すように、該絶縁性基板３０には、複数の素子嵌合孔３が互いに間隔を介して形成されており、これらの素子嵌合孔３には、図１に示したように、それぞれ対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合固定されている。なお、絶縁性基板３０は、例えばガラス繊維強化のエポキシ樹脂製の板により形成されており、素子嵌合孔３への熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の固定方法は、例えば接着剤を用いる等、適宜の方法が用いられる。
【００２３】
また、本実施形態例は、以下に示すように、従来例と異なる特徴的な構成を有している。つまり、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（ここでは上側）と他端側（ここでは下側）には、それぞれ、表面に互いに間隔を介して複数の電極２を配列形成したポリイミド製のフレキシブル絶縁基板７が配設されている。このフレキシブル絶縁基板７は、シート状に形成されている。
【００２４】
本実施形態例において、フレキシブル絶縁基板７は、図２に示すように、表面に互いに間隔を介して複数の電極２を配列形成した１枚のフレキシブル絶縁基板であり、電極２ａはリード端子とリード線とが接続される電極である。電極２は膜状に形成されており、フレキシブル絶縁基板７と共にフレキシブルに変形可能と成している。
【００２５】
また、フレキシブル絶縁基板７は、図１に示したように、電極２の形成面側が内側になるように折り曲げられている。そして、フレキシブル絶縁基板７の電極形成面によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を一端側と他端側から挟んでおり、フレキシブル絶縁基板７の電極２の形成面側が前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて配設されている。
【００２６】
また、図１に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の貫通方向の一端側（ここでは上側）に配置されたフレキシブル絶縁基板７の電極２と他端側（ここでは下側）に配置されたフレキシブル絶縁基板７の電極２とは互いに位置をずらした状態と成して、対応する電極２を介して前記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（５ａ，５ｂ）の回路が形成されている。この熱電変換素子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、電源回路等の適宜の電気回路に接続されている。
【００２７】
本実施形態例では、それぞれの電極２は前記フレキシブル絶縁基板７と共に前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側にフレキシブルに変形することにより、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側への接触圧によって対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端部にそれぞれ圧接（ここでは、圧接固定）されている。
【００２８】
特に、本実施形態例では、フレキシブル絶縁基板７の電極形成面と反対側の面側には、熱伝導弾性部材により形成された弾性シート８が設けられて、この弾性シート８の弾性変形によって、前記電極２の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側への接触圧を高めている。
【００２９】
本実施形態例は以上のように構成されており、この熱電変換モジュール１を製造するときは、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を形成する。なお、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端部（電極部９との接触部）にメッキ処理等の表面処理を施す。この表面処理は、電極部９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。
【００３０】
そして、図４（ａ）に示すように、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３にそれぞれ、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合固定する。その後、図４（ｂ）に示すように、フレキシブル絶縁基板７を折り曲げて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上下両側（前記素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側）からフレキシブル絶縁基板７により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を挟む。
【００３１】
そして、フレキシブル絶縁基板７の電極形成面（電極２の形成面）側を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向け、その反対側から熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて圧力を加え、電極２をフレキシブル絶縁基板７と共に変形させて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）への接触圧により圧接する。また、フレキシブル絶縁基板７の電極形成面と反対側の面側には、図１に示したように、弾性シート８を設ける。
【００３２】
なお、弾性シート８は、電極２を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に圧接する前に設け、弾性シート８をフレキシブル絶縁基板７と共に弾性変形して電極２を圧接すると、電極２の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）への圧接固定をより確実に行うことができる。
【００３３】
また、必要に応じ、例えば図１の破線に示すように、熱電変換モジュール１の上側に金属プレート１１を設け、熱電変換モジュール１の下側にヒートシンク１２を設けて、金属プレート１１とヒートシンク１２とをねじ部材１３で固定して用いる。なお、ヒートシンク１２の代わりに、熱電変換モジュール１の下側にも金属プレートを設けることもできる。
【００３４】
この例のような配置で金属プレート１１とヒートシンク１２とを設ける場合、金属プレート１１に被冷却部材（図示せず）を搭載し、この被冷却部材を熱電変換モジュール１により冷却すると、熱電変換モジュール１の下側（熱電変換素子５の下端側）は加熱面となるので、ヒートシンク１２により冷却すれば、より効率的に、熱電変換モジュール１による被冷却部材の冷却が行われる。
【００３５】
本実施形態例によれば、上記のように、フレキシブル絶縁基板７の表面に電極２を複数配列形成して電極形成面側を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて配設しており、このフレキシブル絶縁基板７に適宜の圧力を加えて、電極２をフレキシブル絶縁基板７と共にフレキシブルに変形させてその接触圧で対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端部に圧接固定しているので、電極２を個々に設ける場合と異なり、フレキシブル絶縁基板７の配設によって電極２を一括して配設できるし、半田等を設けて固定しなくても電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との導通を良好に行えるようになり、非常に容易に組み立てることができる。
【００３６】
したがって、本実施形態例は、製造歩留まりの向上とコストダウンを確実に図ることができる熱電変換モジュールを実現できる。
【００３７】
また、本実施形態例によれば、フレキシブル絶縁基板７の電極形成面と反対側の面側には、熱伝導弾性部材により形成された弾性シート８が設けられているので、弾性シート８の弾性変形によって、それぞれの電極２を対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端部にそれぞれより的確に圧接でき、使い勝手の良い熱電変換モジュールを実現できる。
【００３８】
さらに、図１の破線に示したように、金属プレート１１とヒートシンク１２とにより熱電変換モジュール１を挟み込んで用いると、熱電変換モジュール１の電極部９と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との圧接固定を、より確実に行うことができ、さらに、金属プレート１１の上に搭載される被冷却部材の配置も、より安定したものにできる。
【００３９】
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、表面に互いに間隔を介して複数の電極２を配列形成した１枚のフレキシブル絶縁基板７を折り曲げて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上下両側に設けたが、上側に配置するフレキシブル絶縁基板７と下側に配置するフレキシブル絶縁基板７とは、別個のフレキシブル絶縁基板７としてもよい。
【００４０】
また、フレキシブル絶縁基板７の材質や厚み、電極２の材質や厚み等は、特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【００４１】
さらに、上記実施形態例では、フレキシブル絶縁基板７の電極形成面と反対側の面に弾性シート８を設けたが、図５に示すように、弾性シート８は省略してもよい。
【００４２】
さらに、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側にそれぞれ配置されたフレキシブル絶縁基板７のうち少なくとも一方は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に電気的に接続される複数電極２の形成領域と、該電極２と前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続回路に接続される電気回路の形成領域とを有するものとしてもよい。
【００４３】
この場合、例えば、図６に示すように、フレキシブル絶縁基板７を形成し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に電気的に接続される複数電極２の形成領域１５と、該電極２と前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続回路に接続される電気回路の形成領域１６とを形成する。そして、このフレキシブル絶縁基板７を図の破線Ａで折り曲げて複数電極２の形成領域１５を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域に配置し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端部に導通接触して熱電変換モジュール１を形成することができる。
【００４４】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換モジュール１は、絶縁性基板３０の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絶縁性基板３０を適用した熱電変換モジュール１としてもよいし、絶縁性基板３０の形状、厚み、材質等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。
【００４５】
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。
【００４６】
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】
【００４７】
【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に適用されているフレキシブル絶縁基板を電極形成面側から見た平面図により示す説明図である。
【図３】上記実施形態例の熱電変換モジュールに適用されている絶縁性基板の平面説明図である。
【図４】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５】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例を模式的に示す説明図である。
【図６】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例に適用されるフレキシブル絶縁基板の例を示す説明図である。
【図７】従来の熱電変換モジュールの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  熱電変換モジュール
２  電極
３  素子嵌合孔
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
７  フレキシブル絶縁基板
８  弾性シート
１５  複数電極の形成領域
１６  電気回路の形成領域
３０  絶縁性基板
【図１】
2006005154.tif 000003
【図２】
2006005154.tif 000004
【図３】
2006005154.tif 000005
【図４】
2006005154.tif 000006
【図５】
2006005154.tif 000007
【図６】
2006005154.tif 000008
【図７】
2006005154.tif 000009