(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】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。素子嵌合孔３は、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外径より大きめに形成しておき、絶縁性基板３０のそれぞれの素子嵌合孔３の外周側の少なくとも１箇所に、絶縁性基板３０の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に圧力を加えてつぶし変形させる。この変形部位７を素子嵌合孔３０の内側に張り出して熱電変換素子５の側面を押圧することにより熱電変換素子５を素子嵌合孔３０に固定する。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。【選択図】        図１
2006005153.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、前記絶縁性基板にはそれぞれの素子嵌合孔の外周側の少なくとも１箇所に、前記絶縁性基板の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に加えられた圧力によりつぶし変形された変形部位が形成され、該変形部位が前記素子嵌合孔の内側に張り出して前記熱電変換素子の側面を押圧して該熱電変換素子が前記素子嵌合孔に固定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】
Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を、該熱電変換素子の外径より大きめの素子嵌合孔を複数配列形成した絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合し、前記絶縁性基板のそれぞれの素子嵌合孔の外周側の少なくとも１箇所に、前記絶縁性基板の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に圧力を加えてつぶし変形させ、該変形部位を前記素子嵌合孔の内側に張り出して前記熱電変換素子の側面を押圧することにより該熱電変換素子を前記素子嵌合孔に固定し、然る後に、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それぞれ互いに間隔を介した複数の電極を設け、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を電気的に導通接続して熱電変換素子の回路を形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【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およびその製造方法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】
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８（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】
図７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（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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
【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】
【００１０】
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。
【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、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】
【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、本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、前記絶縁性基板にはそれぞれの素子嵌合孔の外周側の少なくとも１箇所に、前記絶縁性基板の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に加えられた圧力によりつぶし変形された変形部位が形成され、該変形部位が前記素子嵌合孔の内側に張り出して前記熱電変換素子の側面を押圧して該熱電変換素子が前記素子嵌合孔に固定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、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を、該熱電変換素子の外径より大きめの素子嵌合孔を複数配列形成した絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合し、前記絶縁性基板のそれぞれの素子嵌合孔の外周側の少なくとも１箇所に、前記絶縁性基板の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に圧力を加えてつぶし変形させ、該変形部位を前記素子嵌合孔の内側に張り出して前記熱電変換素子の側面を押圧することにより該熱電変換素子を前記素子嵌合孔に固定し、然る後に、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それぞれ互いに間隔を介した複数の電極を設け、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を電気的に導通接続して熱電変換素子の回路を形成す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】
【００１４】
本発明の熱電変換モジュールによれば、熱電変換素子を貫通嵌合固定する絶縁性基板には、それぞれの素子嵌合孔の外周側の少なくとも１箇所に、前記絶縁性基板の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に加えられた圧力によりつぶし変形された変形部位が形成され、該変形部位が前記素子嵌合孔の内側に張り出して前記熱電変換素子の側面を押圧することにより該熱電変換素子が前記素子嵌合孔に固定されているので、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、簡単に熱電変換素子を素子嵌合孔に固定できる。
【００１５】
したがって、本発明の熱電変換モジュールは、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。
【００１６】
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法によれば、絶縁性基板に、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子の外径より大きめの素子嵌合孔を形成し、この素子嵌合孔にそれぞれ熱電変換素子を貫通嵌合し、前記絶縁性基板のそれぞれの素子嵌合孔の外周側の少なくとも１箇所に、前記絶縁性基板の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に圧力を加えてつぶし変形させ、該変形部位を前記素子嵌合孔の内側に張り出して前記熱電変換素子の側面を押圧することにより該熱電変換素子を前記素子嵌合孔に固定するので、熱電変換素子の固定を容易に行い、歩留まり良く、低コストで熱電変換モジュールを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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、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。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が、本実施形態例は、この熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の固定構成を、以下に示すような特徴的な構成としている。
【００１９】
すなわち、本実施形態例では、絶縁性基板３０には、それぞれの素子嵌合孔３の外周側の少なくとも１箇所に、絶縁性基板３０の表面側と裏面側の両方から絶縁性基板面に加えられた圧力によりつぶし変形された変形部位７が形成され、該変形部位７が前記素子嵌合孔３の内側に張り出して前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面を押圧して該熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が前記素子嵌合孔３に固定されている。
【００２０】
なお、上記変形部位７の形成方法や形成形態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、図２（ｂ）のＡに示す、絶縁性基板３０の正方形状の素子嵌合孔３の辺の外周側の４箇所に、図３に示すような、先端がくさび形状のピン１１によって、油圧プレス等を用い、図２（ｃ）に示すように、絶縁性基板３０の表面側と裏面側の両面から線状に圧力を加え、それにより、図２（ｄ）に示すように、素子嵌合孔３の内側に張り出した変形部位７を形成している。なお、図中、符号８は、ピン１１により圧力を加えた部位（つぶし跡）を示す。
【００２１】
また、図１に示すように、本実施形態例でも、従来例と同様に、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）にはそれぞれ互いに間隔を介して複数の電極２が設けられ、該電極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。なお、上側の電極２と下側の電極２とは、互いに位置をずらして配設されている。
【００２２】
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、該熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外径より大きめの素子嵌合孔３を複数配列形成した絶縁性基板３０の対応する素子嵌合孔３にそれぞれ貫通嵌合する。図２（ｂ）に、１つの熱電変換素子５を対応する素子嵌合孔３に嵌合した状態の平面図を示す。
【００２３】
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。
【００２４】
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、前記の如く、図２（ｃ）、（ｄ）に示したように、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３の外周側の４箇所に、絶縁性基板３０の表面側と裏面側の両面からピン１１により圧力を加えてつぶし変形し、素子嵌合孔３の内側に張り出した変形部位７を形成する。そして、この変形部位７を素子嵌合孔３の内側に張り出して熱電変換素子５の側面を押圧し、熱電変換素子５を素子嵌合孔３に固定する。
【００２５】
その後、前記熱電変換素子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それぞれ互いに間隔を介した複数の電極２を設け、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とを電気的に導通接続して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路を形成する。
【００２６】
本実施形態例は、以上のように、それぞれの素子嵌合孔３の外周側に、絶縁性基板３０の表面側と裏面側の少なくとも一方から絶縁性基板面に加えられた圧力によりつぶし変形した変形部位７を形成し、該変形部位７を素子嵌合孔３の内側に張り出して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面を押圧して該熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を素子嵌合孔３に固定しているので、簡単に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を素子嵌合孔３に固定できる。
【００２７】
つまり、本実施形態例によれば、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を接着剤１５によって対応する素子嵌合孔３に固定する場合に必要な、接着剤１５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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、上記実施形態例では、絶縁性基板３０のそれぞれの素子嵌合孔３の外周側には、４箇所に圧力を加えて、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外周側を、４つの変形部位７により押圧するようにしたが、絶縁性基板３０の圧力を加える箇所や、圧力の加え方は特に限定されるものでなく、例えば、図４の（ａ）〜（ｇ）に示す態様を含め、適宜設定されるものである。
【００３０】
図４の（ａ）は、円形状の素子嵌合孔３の外周側の３箇所に、点状に圧力を加えた例、図４（ｂ）は、円形状の素子嵌合孔３の外周側の１箇所に、線状に圧力を加えた例、図４（ｃ）は、四角形状の素子嵌合孔３の外周側の角部２箇所に、点状に圧力を加えた例、図４（ｄ）は、四角形状の素子嵌合孔３の外周側の１箇所に、線状に圧力を加えた例、図４（ｅ）は、四角形状の素子嵌合孔３の外周側の角部１箇所に、点状に圧力を加えた例、図４（ｆ）は、四角形状の素子嵌合孔３の外周側の、それぞれの辺中央部４箇所に、点状に圧力を加えた例である。
【００３１】
また、図４（ｇ）は、四角形状の素子嵌合孔３の外周側の、それぞれの角部４箇所に、点状に圧力を加えた例である。図５には、このように変形させるピン１１の例が示されている。このピン１１は、図５（ａ）斜視図および図５（ｂ）の平面図に示す先端部を有するピン１１を、図５（ｃ）に示すように、格子状に連続させて形成されている。絶縁性基板３０に形成された素子嵌合孔３の配列間隔は小さいので、ピン１１を上記のような連続した形状に形成すると、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３の外周側に的確に変形部位７を形成しやすい。
【００３２】
さらに、上記実施形態例では、絶縁性基板３０の表面側と裏面側の両方から絶縁性基板面３０に圧力を加えてつぶし変形し、変形部位７を形成したが、図６に示すように、絶縁性基板３０の下部側に、素子嵌合孔３に対応する凹部１６を備えた台部１７を設け、絶縁性基板３０の表面側から圧力を加えるようにする等、絶縁性基板３０の表面側と裏面側のいずれか一方から圧力を加えて変形部位７を形成してもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
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】
【００３５】
【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】上記熱電変換モジュールの製造時に用いられるピンの一例を示す説明図である。
【図４】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絶縁性基板に形成する変形部位の平面説明図である。
【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の製造時に用いられるピンの例を示す説明図である。
【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おける絶縁性基板のつぶし変形工程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側面図により示す説明図である。
【図８】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】
【００３６】
２  電極
３  素子嵌合孔
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
７  変形部位
１０  接着剤
３０  絶縁性基板
【図１】
2006005153.tif 000003
【図２】
2006005153.tif 000004
【図３】
2006005153.tif 000005
【図４】
2006005153.tif 000006
【図５】
2006005153.tif 000007
【図６】
2006005153.tif 000008
【図７】
2006005153.tif 000009
【図８】
2006005153.tif 000010