(57)【要約】【課題】熱電変換素子の熱伸縮差による破壊を防止でき、接合信頼性、熱伝導性及び導電性に優れた熱電変換モジュール及びその製造方法を提供する。【解決手段】熱電変換モジュールは、線膨張係数の異なるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子からなる複数の熱電変換素子と、複数の前記熱電変換素子の一端側に配設された第１配線基板と、を有し、前記第１配線基板は、隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接合された第１配線層と、該第１配線層の前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との接合面とは反対面に接合され複数に分離された第１セラミックス層と、を有しており、各第１セラミックス層がいずれかの前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間で分離されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
線膨張係数の異なるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子からなる複数の熱電変換素子と、
複数の前記熱電変換素子の一端側に配設された第１配線基板と、を有し、
前記第１配線基板は、隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接合された第１配線層と、該第１配線層の前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との接合面とは反対面に接合され複数に分離された第１セラミックス層と、を有しており、
各第１セラミックス層がいずれかの前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間で分離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】
前記第１配線層が、前記第１セラミックス層どうしの間に跨って形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記第１セラミックス層が、前記熱電変換素子毎に独立して形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１配線層が、銀、アルミニウム、銅又はニッケルであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記第１配線基板は、複数の前記第１配線層と、前記第１セラミックス層の前記第１配線層との接合面とは反対面に接合された第１熱伝達金属層と、を有しており、
前記第１熱伝達金属層が、隣り合う両第１配線層の間に跨って形成され、かつ、隣り合う両第１セラミックス層の間に跨って形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記第１熱伝達金属層が、アルミニウム又は銅であることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記熱電変換素子の他端側に配設された第２配線基板を有し、
対向配置される前記第１配線基板と前記第２配線基板とを介して前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記第２配線基板は、隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接合された第２配線層と、該第２配線層の前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との接合面とは反対面に接合され複数に分離された第２セラミックス層と、を有しており、
各第２セラミックス層がいずれかの前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間で分離されていることを特徴とする請求項７に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
セラミックス母材から複数の第１セラミックス層を分割するためのスクライブラインを該セラミックス母材に形成するスクライブライン形成工程と、
前記スクライブライン形成工程後に、前記セラミックス母材の一方の面に、前記スクライブラインにより区画された複数の第１セラミックス層形成領域のうちの隣接する両第１セラミックス層形成領域に跨る第１配線層を形成する金属層形成工程と、
前記金属層形成工程後に、前記第１配線層が形成された前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割し、前記第１配線層と前記第１セラミックス層とが接合された第１配線基板を形成する分割工程と、
前記分割工程後に、前記第１配線層の各第１セラミックス層との接合面とは反対面に線膨張係数の異なるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを接合し、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが直列に接続された熱電変換モジュールを製造する接合工程と、
を有することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１０】
前記接合工程は、対向配置される一組の加圧板の間に、前記第１配線基板の前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ重ねた挟持体を配置しておき、該挟持体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ接合する工程とされ、
前記接合工程において、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とのうち少なくとも線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子と前記加圧板との間に補完部材を配置しておき、
前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子との接合時における前記一方の熱電変換素子及び前記補完部材の高さと前記他方の熱電変換素子及び前記補完部材の高さとの差を、前記一方の熱電変換素子の高さと前記他方の熱電変換素子の高さとの差よりも小さくしておくことを特徴とする請求項９に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１１】
前記接合工程は、対向配置される一組の加圧板の間に、前記第１配線基板の前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ重ねた挟持体を配置しておき、該挟持体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ接合する工程とされ、
前記接合工程において、
前記挟持体を前記積層方向に偶数個重ねて配置するとともに、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを前記積層方向に同数配置しておくことを特徴とする請求項９に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１２】
前記接合工程において、各挟持体の間にグラファイトシートを配設しておくことを特徴とする請求項１１に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１３】
前記金属層形成工程は、
前記セラミックス母材の前記一方の面に複数の前記第１配線層を形成するとともに、
前記セラミックス母材の他方の面に第１熱伝達金属層を形成する工程とされ、
前記金属層形成工程において、
前記第１熱伝達金属層を、隣り合う両第１配線層の間に跨って形成し、かつ、隣り合う両第１セラミックス層形成領域の間に跨って形成することを特徴とする請求項９から１２のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１４】
前記スクライブライン形成工程において、
前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の一方の面における前記第１配線層の接合予定領域を除く非接合部に形成することを特徴とする請求項９から１３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１５】
前記スクライブライン形成工程において、
前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の他方の面における前記第１熱伝達金属層の接合予定領域を除く非接合部に形成することを特徴とする請求項１３又は１４に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１６】
前記スクライブライン形成工程において、
前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の対向する辺同士を貫通する直線で形成することを特徴とする請求項９から１５のいずれか一項に記載の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、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを直列に配列した熱電変換モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールは、一般に、一組の配線基板（絶縁基板）の間に、一対のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型の順に交互に配置されるように、電気的に直列に接続した構成とされる。また、熱電変換モジュールは、配線の両端を直流電源に接続して、ペルチェ効果により各熱電変換素子中で熱を移動させる（Ｐ型では電流と同方向、Ｎ型では電流と逆方向に移動させる）、あるいは、両配線基板間に温度差を付与して各熱電変換素子にゼーベック効果により起電力を生じさせるものであり、冷却、加熱、あるいは発電としての利用が可能である。
【０００３】
このような熱電変換モジュールにおいては、高温作動になるほど高効率であることから、高温型の熱電変換モジュールが多く開発されている。そして、中高温（３００℃）以上で使用される熱電変換モジュールでは、絶縁基板の材料に樹脂は使用できないため、絶縁基板にセラミックスを用いることが一般的に行われている。
【０００４】
セラミックスの中には、例えば窒化アルミニウムのように、絶縁性と熱伝導性とが両立した材料が存在するが、セラミックスはいずれも硬くて剛性の高い材料であるため、剛体として熱電変換素子間の線膨張差を熱応力に変えてしまう。つまり、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との両熱電変換素子の熱電変換材料に、線膨張係数の異なる材料を用いた場合は、熱電変換モジュールを熱源に設置すると、両熱電変換素子はセラミックス基板によって拘束されることで各々の形状変化に追従できずに、線膨張係数の大きな熱電変換素子には圧縮応力が生じ、線膨張係数の小さな熱電変換素子には引張応力が生じる。そして、熱伸縮差により熱応力が生じた場合には、熱電変換素子が配線基板の配線部から剥がれたり、熱電変換素子にクラックが生じたりすることがある。この場合には、電気が流れなくなったり、電気伝導度が低下して熱電変換モジュールが動作不能になったり、動作不能に至らなくても発電量が大幅に低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば特許文献１〜３では、複数の熱電変換素子（熱電半導体材料、熱電変換半導体）を接続する配線（電極）にいわゆる発泡金属（多孔性金属材料、多孔質金属部材）や金属繊維の集合体を用いることにより、配線に柔軟性を与えて、熱伸縮差による熱応力を緩和する試みがなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７‐１０３５８０号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０１０７８３号
【特許文献３】特許第５７０３８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１〜３では、配線に発泡金属や金属繊維の集合体を用いており、これらの部材自体に電流が流れる構成とされている。このため、配線の内部抵抗（熱抵抗及び電気抵抗）が大幅に上昇し、熱電変換モジュールの出力を大幅に低下させるおそれがある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱電変換素子の熱伸縮差による破壊を防止でき、接合信頼性、熱伝導性及び導電性に優れた熱電変換モジュール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】
本発明の熱電変換モジュールは、線膨張係数の異なるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子からなる複数の熱電変換素子と、複数の前記熱電変換素子の一端側に配設された第１配線基板と、を有し、前記第１配線基板は、隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接合された第１配線層と、該第１配線層の前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との接合面とは反対面に接合され複数に分離された第１セラミックス層と、を有しており、各第１セラミックス層がいずれかの前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間で分離されている。
【００１０】
複数の熱電変換素子の一端側が接合される第１配線基板において、この第１配線基板を構成する第１配線層に隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが接合され、これらＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間が第１配線層により電気的に接続される。一方、第１配線層に接合された各第１セラミックス層は、複数設けられる熱電変換素子のうち、いずれかのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で分離され、複数設けられている。このように、剛体の第１セラミックス層は、いずれかのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で分断され、複数設けられているので、これらのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で、互いに相手側の第１セラミックス層によって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。このため、各熱電変換素子の熱伸縮差により各熱電変換素子内に生じる熱応力の発生を抑制でき、各熱電変換素子が第１配線基板（第１配線層）から剥がれたり、各熱電変換素子にクラックが生じたりすることを防止できる。したがって、第１配線層により接続される両熱電変換素子間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュールの接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【００１１】
また、第１配線基板には第１セラミックス層が設けられているので、熱電変換モジュールを熱源等に設置したときに、第１セラミックス層により熱源等と第１配線層とが接触することを防止できる。したがって、熱源等と第１配線層との電気的な接続（リーク）を確実に回避でき、絶縁状態を良好に維持できる。なお、各熱電変換素子は電圧が低いことから、絶縁基板である第１セラミックス層が隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で分離され、第１配線層の全面に各第１セラミックス層が接合されていなくても、第１配線層が熱源等と物理的に接触しない限り、電気的なリークを生じることはない。
【００１２】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態において、前記第１配線層が、前記第１セラミックス層どうしの間に跨って形成されているとよい。
【００１３】
この場合、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との熱伸縮差を、両熱電変換素子の間を接続する第１配線層の接続部分が変形して寸法変化を吸収できるので、各熱電変換素子の熱伸縮差により各熱電変換素子内に生じる熱応力の発生を抑制できる。
【００１４】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態は、前記第１セラミックス層が、前記熱電変換素子毎に独立して形成されているとよい。
【００１５】
この場合、第１配線基板を構成する複数の第１セラミックス層が複数配設される熱電変換素子毎に独立して形成されており、剛体の各第１セラミックス層が各熱電変換素子の間で分離されている。このため、各熱電変換素子は各第１セラミックス層によって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。また、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との熱伸縮差は、両熱電変換素子の間を接続する第１配線層の接続部分が変形して寸法変化を吸収することができるので、熱伸縮差により各熱電変換素子内に生じる熱応力の発生を抑制できる。
【００１６】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態において、前記第１配線層が、銀、アルミニウム、銅又はニッケルであるとよい。なお、銀、アルミニウム、銅又はニッケルには、これらを主成分とする合金を含む。
好ましくは、前記第１配線層は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム、あるいは純度９９．９質量％以上の銅であるとよい。
【００１７】
高純度のアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）は、弾性変形、塑性変形しやすい。また、アルミニウムや銅は熱伝導性や導電性に優れる。このため、第１配線層に純度の高い純アルミニウムや純銅等の軟らかい材料を用いることで、第１配線層を各熱電変換素子の熱伸縮に伴って容易に変形し追従させることができる。したがって、各熱電変換素子の熱伸縮差による熱応力の緩和効果をより高めることができる。また、アルミニウムや銅は、銀とと比較して安価であるから、熱電変換モジュールを安価に製造できる。また、第１配線層をアルミニウム又は銅により形成することで、第１配線層により接続される両熱電変換素子間の熱伝導性や導電性を良好に維持できる。
また、第１配線層を銀（Ａｇ）で形成することで、例えば、第１配線層を有する第１配線基板を熱電変換モジュールの高温側に配置した場合において、耐熱性や耐酸化性を向上させることができたり、熱伝導性や導電性を良好に維持できる。
また、ニッケル（Ｎｉ）は、アルミニウムや銀と比較すると耐酸化性に劣るが、比較的良好な耐熱性を有する。また、ニッケルは銀と比較して安価であるとともに、比較的素子接合性が良い。このため、第１配線層をニッケルで形成することで、性能と価格のバランスに優れた熱電変換モジュールを構成できる。
【００１８】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態において、前記第１配線基板は、複数の前記第１配線層と、前記第１セラミックス層の前記第１配線層との接合面とは反対面に接合された第１熱伝達金属層と、を有しており、前記第１熱伝達金属層が、隣り合う両第１配線層の間に跨って形成され、かつ、隣り合う両第１セラミックス層の間に跨って形成されているとよい。
【００１９】
複数の第１配線層を有する第１配線基板においても、第１熱伝達金属層により各第１セラミックス層の間が接続されているので、各第１配線層を一体に取り扱うことができ、第１配線基板の取り扱い性を向上できる。また、各第１セラミックス層の間は、第１配線層又は第１熱伝達金属層のいずれかにより連結されているのみであるので、第１配線層と第１熱伝達金属層とは各熱電変換素子の熱伸縮に伴って容易に変形し追従する。
また、第１配線基板に第１熱伝達金属層を設けることで、熱電変換モジュールを熱源等に設置したときに、第１熱伝達金属層により熱源等と熱電変換モジュールとの密着性を高めることができ、熱伝導性を向上できる。したがって、熱電変換モジュールの熱電変換性能（発電効率）を向上させることができる。
【００２０】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態において、前記第１熱伝達金属層は、アルミニウム又は銅とされ、好ましくは、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム、あるいは純度９９．９質量％以上の銅とされるとよい。
【００２１】
第１熱伝達金属層にも、第１配線層と同様に純度の高い純アルミニウムや純銅等の軟らかい材料を用いることで、第１熱伝達金属層を各熱電変換素子の熱伸縮に伴って容易に変形し追従させることができる。したがって、各熱電変換素子の熱伸縮差による熱応力の緩和効果をより高めることができる。
また、第１熱伝達金属層をアルミニウム又は銅により形成することで、熱電変換モジュールと熱源等との間の熱伝導性を良好に維持でき、熱電変換性能も良好に維持できる。
【００２２】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態は、前記熱電変換素子の他端側に配設された第２配線基板を有し、対向配置される前記第１配線基板と前記第２配線基板とを介して前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続されているとよい。
【００２３】
対向配置される第１配線基板と第２配線基板のうち、少なくとも第１配線基板を構成する第１セラミックス層がいずれかのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で分離されているので、これらＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間では、互いに相手側に接合された第１セラミクス層によって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。また、これらのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との熱伸縮差は、両熱電変換素子の間を接続する第１配線層や第１熱伝達金属層の接続部分が変形して寸法変化を吸収できるので、各熱電変換素子の熱伸縮差により各熱電変換素子内に生じる熱応力の発生を抑制できる。したがって、第１配線層により接続される両熱電変換素子間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュールの接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【００２４】
本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態において、前記第２配線基板は、隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接合された第２配線層と、該第２配線層の前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との接合面とは反対面に接合され複数に分離された第２セラミックス層と、を有しており、各第２セラミックス層がいずれかの前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間で分離されているとよい。
【００２５】
また、前記第２配線層が、前記第２セラミックス層どうしの間に跨って形成されているとよい。
また、前記第２セラミックス層が、前記熱電変換素子毎に独立して形成されているとよい。
また、前記第２配線層が、銀、アルミニウム、銅又はニッケルであるとよい。
【００２６】
また、前記第２配線基板は、複数の前記第２配線層と、前記第２セラミックス層の前記第２配線層との接合面とは反対面に接合された第２熱伝達金属層と、を有しており、前記第２熱伝達金属層が、隣り合う両第２配線層の間に跨って形成され、かつ、隣り合う両第２セラミックス層の間に跨って形成されているとよい。
また、前記第２熱伝達金属層が、アルミニウム又は銅であるとよい。
【００２７】
第１配線基板と対向配置される第２配線基板においても、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが接合された第２配線層を複数に分離された第２セラミックス層どうしの間に跨って形成し、各第２セラミックス層をＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で分離させておくことで、第２配線層に接合されたＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間では、互いに相手側の第２セラミックス層によって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。また、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との熱伸縮差は、両熱電変換素子の間を接続する第２配線層の接続部分が変形して寸法変化を吸収できるので、各熱電変換素子の熱伸縮差により各熱電変換素子内に生じる熱応力の発生を抑制できる。
このように、対向配置される第１配線基板と第２配線基板との双方において、各熱電変換素子に熱伸縮差により生じる寸法変化を吸収できるので、第１配線層及び第２配線層により接続される両熱電変換素子間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュールの接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【００２８】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、セラミックス母材から複数の第１セラミックス層を分割するためのスクライブラインを該セラミックス母材に形成するスクライブライン形成工程と、前記スクライブライン形成工程後に、前記セラミックス母材の一方の面に、前記スクライブラインにより区画された複数の第１セラミックス層形成領域のうちの隣接する両第１セラミックス層形成領域に跨る第１配線層を形成する金属層形成工程と、前記金属層形成工程後に、前記第１配線層が形成された前記セラミックス母材を前記スクライブラインに沿って分割し、前記第１配線層と前記第１セラミックス層とが接合された第１配線基板を形成する分割工程と、前記分割工程後に、前記第１配線層の各第１セラミックス層との接合面とは反対面に線膨張係数の異なるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを接合し、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが直列に接続された熱電変換モジュールを製造する接合工程と、を有する。
【００２９】
熱電変換素子が多数接合（搭載）される熱電変換モジュールにおいて、各々の第１セラミックス層を整列させて第１配線層に接合することは非常に困難である。しかし、本発明の製造方法のように、第１配線層をセラミックス母材に接合した後に、セラミックス母材をスクライブラインに沿って分割することで、容易に所望のパターンに配列された第１配線層と、個片化された第１セラミックス層とを有する第１配線基板を形成でき、熱電変換モジュールを円滑に製造できる。
また、個片化された複数のセラミックス層の間は、第１配線層により接続されているので、第１配線基板を一体に取り扱うことができ、取り扱い性を向上できる。
【００３０】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法の好ましい実施形態において、前記接合工程は、対向配置される一組の加圧板の間に、前記第１配線基板の前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ重ねた挟持体を配置しておき、該挟持体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ接合する工程とされ、前記接合工程において、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とのうち少なくとも線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子と前記加圧板との間に補完部材を配置しておき、前記第１配線基板と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子との接合時における前記一方の熱電変換素子及び前記補完部材の高さと前記他方の熱電変換素子及び前記補完部材の高さとの差を、前記一方の熱電変換素子の高さと前記他方の熱電変換素子の高さとの差よりも小さくしておくとよい。
【００３１】
第１配線基板は、個片化された複数の第１セラミックス層を有しているので、接合工程において挟持体が加熱された際、各第１セラミックス層が互いを相手側を拘束することなく、各部位に積層されたＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の熱膨張に追従できる。そこで、接合工程において、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とのうち、少なくとも線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子と加圧板との間に補完部材を配置しておくことで、接合時において、線膨張係数が大きい他方の熱電変換素子の高さと、一方の熱電変換素子及び補完部材の高さとを近づけることができる。したがって、一組の加圧板の間で、各熱電変換素子と第１配線層とを密着させて均一に加圧できるので、各熱電変換素子と第１配線基板とを確実に接合でき、熱電変換モジュールの接合信頼性を高めることができる。
【００３２】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法の好ましい実施形態において、前記接合工程は、対向配置される一組の加圧板の間に、前記第１配線基板の前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ重ねた挟持体を配置しておき、該挟持体をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、前記第１配線層と前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子とをそれぞれ接合する工程とされ、前記接合工程において、前記挟持体を前記積層方向に偶数個重ねて配置するとともに、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを前記積層方向に同数配置しておくとよい。
【００３３】
例えば、各挟持体のうち、積層方向に隣接する２個の挟持体の各第１配線基板どうしを対向させて配置することで、第１配線基板の面方向の各熱電変換素子の配置箇所において、それぞれＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを積層方向に１個ずつ（同数）配置できる。このようにして挟持体を積層方向に偶数個重ねて配置することで、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子のうち、線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子と、線膨張係数が大きい他方の熱電変換素子とを常に同数重ねて配置でき、接合（加熱）時において、複数個を重ねた挟持体の高さを、面方向において均一にできる。したがって、一組の加圧板の間で、各熱電変換素子と第１配線層とを密着させて均一に加圧できるので、各熱電変換素子と第１配線基板とを確実に接合でき、熱電変換モジュールの接合信頼性を高めることができる。
また、このように挟持体を複数重ねることで、一度の接合工程において、熱電変換モジュールを複数製造できる。
【００３４】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法の好ましい実施形態は、前記接合工程において、各挟持体の間にグラファイトシートを配設しておくとよい。
【００３５】
各挟持体の間にクッション性を有するグラファイトシートを介在させることで、第１配線基板の面方向の各熱電変換素子の配置箇所において、それぞれの傾きを補正でき、各熱電変換素子と第１配線基板とをより均一に加圧できる。したがって、各熱電変換素子と第１配線基板とを確実に接合でき、熱電変換モジュールの接合信頼性をより高めることができる。
【００３６】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法において、前記金属層形成工程は、前記セラミックス母材の前記一方の面に複数の前記第１配線層を形成するとともに、前記セラミックス母材の他方の面に第１熱伝達金属層を形成する工程とされ、前記金属層形成工程において、前記第１熱伝達金属層を、隣り合う両第１配線層の間に跨って形成し、かつ、隣り合う両第１セラミックス層形成領域の間に跨って形成する。
【００３７】
複数の第１配線層を有する第１配線基板においても、第１熱伝達金属層により各第１配線層の間が連結されているので、各第１配線層を一体に取り扱うことができ、第１配線基板の取り扱い性を向上できる。また、この場合においても、第１配線層と第１熱伝達金属層とをセラミックス母材に接合した後に、セラミックス母材をスクライブラインに沿って分割することで、容易に所望のパターンに配列された第１配線層と、個片化された第１セラミックス層とを有する第１配線基板を形成でき、熱電変換モジュールを円滑に製造できる。
この場合、接合工程において、各挟持体の間にグラファイトシートを介在させることで、各熱電変換モジュールどうしが接合されることを防止でき、各熱電変換モジュールの間を容易に解体できる。したがって、熱電変換モジュールを安定して製造できる。
【００３８】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法の前記スクライブライン形成工程において、前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の一方の面における前記第１配線層の接合予定領域を除く非接合部に形成するとよい。また、スクライブラインは、前記セラミックス母材の他方の面における前記第１熱伝達金属層の接合予定領域を除く非接合部に形成するとよい。
【００３９】
スクライブラインは、第１配線層の非接合部又は第１熱伝達金属層の非接合部、若しくはこれらの非接合部の双方に形成しておくことで、これらのセラミックス母材の両面に複数形成されたスクライブラインにより、第１セラミックス層形成領域を区画できる。スクライブライン上に第１配線層又第１熱伝達金属層を重ねて接合した場合には、セラミックス母材をスクライブラインに沿って分割することが難しいが、スクライブラインを第１配線層又は第１熱伝達金属層の接合面とは反対側の面（反対面）に形成することで、セラミックス母材をスクライブラインに沿って容易に分割できる。したがって、容易に所望のパターンに配列された第１配線層と、個片化された第１セラミックス層とを有する第１配線基板を形成でき、熱電変換モジュールを円滑に製造できる。
なお、スクライブラインは、第１配線層の非接合部及び第１熱伝達金属層の非接合部に形成するだけでなく、第１配線層の接合部及び第１熱伝達金属層の接合部にも形成しておくことにより、さらにセラミックス母材を容易に分割できる。
【００４０】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法の前記スクライブライン形成工程において、前記スクライブラインは、前記セラミックス母材の対向する辺同士を貫通する直線で形成するとよい。
【００４１】
セラミックス母材の対向する辺同士を貫通する単純なスクライブラインとすることで、セラミックス母材をスクライブラインに沿って円滑に分割でき、製造工程を簡略化できる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、熱電変換素子の熱伸縮差による破壊を防止でき、接合信頼性、熱伝導性及び導電性に優れた熱電変換モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールを示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法のフロー図である。
【図３】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法の各工程を説明する縦断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法の各工程を説明する斜視図である。
【図５】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールの接合工程を説明する縦断面図である。
【図６】他の接合工程を説明する縦断面図である。
【図７】他の接合工程を説明する縦断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態の熱電変換モジュールを示す正面図である。
【図９】本発明の第３実施形態の熱電変換モジュールを示す正面図である。
【図１０】図９のＡ‐Ａ線の矢視方向の平断面図である。
【図１１】図９のＢ‐Ｂ線の矢視方向の平断面図である。
【図１２】図９のＣ‐Ｃ線の矢視方向の平断面図である。
【図１３】図９のＤ‐Ｄ線の矢視方向の平断面図である。
【図１４】スクライブライン形成工程において形成されるセラミックス母材のスクライブラインを説明する平面図であり、（ａ）がセラミックス母材の一方の面を表側に向けた平面図、（ｂ）がセラミックス母材の他方の面を表側に向けた平面図を表す。
【図１５】金属層形成工程において形成された配線層及び熱伝達金属層のパターンを説明する平面図であり、（ａ）がセラミックス母材の一方の面を表側に向けた平面図、（ｂ）がセラミックス母材の他方の面を表側に向けた平面図を表す。
【図１６】本発明の第４実施形態の熱電変換モジュールの第１配線基板の構成を説明する平面図である。
【図１７】本発明の第５実施形態の熱電変換モジュールの第１配線基板の構成を説明する平面図である。
【図１８】本発明の第６実施形態の熱電変換モジュールの第１配線基板の構成を説明する平面図である。
【図１９】本発明の第７実施形態の熱電変換モジュールの第１配線基板の構成を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、第１実施形態の熱電変換モジュール１０１を示す。この熱電変換モジュール１０１は、複数の熱電変換素子３，４が組み合わされて配列され、熱電変換素子３，４のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とがその一端側（図１において下側）に配設された第１配線基板２Ａを介して電気的に直列に接続された構成とされる。図中、Ｐ型熱電変換素子３には「Ｐ」、Ｎ型熱電変換素子４には「Ｎ」と表記する。なお、熱電変換モジュール１０１では、外部への配線９１を、各熱電変換素子３，４の他端部から直接引き出す構成としている。
【００４５】
Ｐ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４は、例えばテルル化合物、スクッテルダイト、充填スクッテルダイト、ホイスラー、ハーフホイスラー、クラストレート、シリサイド、酸化物、シリコンゲルマニウム等の焼結体により構成される。なお、ドーパントによりＰ型とＮ型の両方をとれる化合物と、Ｐ型かＮ型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。
【００４６】
Ｐ型熱電変換素子３の材料として、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、ＴＡＧＳ（＝Ａｇ‐Ｓｂ‐Ｇｅ‐Ｔｅ）、Ｚｎ４Ｓｂ３、ＣｏＳｂ３、ＣｅＦｅ４Ｓｂ１２、Ｙｂ１４ＭｎＳｂ１１、ＦｅＶＡｌ、ＭｎＳｉ１．７３、ＦｅＳｉ２、ＮａｘＣｏＯ２、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ７、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃｏ２Ｏ７、ＳｉＧｅなどが用いられる。
【００４７】
Ｎ型熱電変換素子４の材料として、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、Ｌａ３Ｔｅ４、ＣｏＳｂ３、ＦｅＶＡｌ、ＺｒＮｉＳｎ、Ｂａ８Ａｌ１６Ｓｉ３０、Ｍｇ２Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＭｎＯ３、ＺｎＯ、ＳｉＧｅなどが用いられる。
【００４８】
これらの材料のうち、環境への影響が少なく、資源埋蔵量も豊富なシリサイド系材料が注目されており、中温型（３００℃〜５００℃程度）の熱電変換モジュールの熱電変換材料としては、Ｐ型熱電変換素子３にマンガンシリサイド（ＭｎＳｉ１．７３）、Ｎ型熱電変換素子４にマグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）が用いられる。Ｐ型熱電変換素子３に用いられるマンガンシリサイドの線膨張係数は１０．８×１０−６／Ｋ程度であり、Ｎ型熱電変換素子４に用いられるマグネシウムシリサイドの線膨張係数は１７．０×１０−６／Ｋ程度である。このため、マンガンシリサイドのＰ型熱電変換素子３とマグネシウムシリサイドのＮ型熱電変換素子４との組み合わせでは、Ｐ型熱電変換素子３の線膨張係数はＮ型熱電変換素子４の線膨張係数よりも小さくなる。
【００４９】
これらの熱電変換素子３，４は、例えば横断面が正方形（例えば、一辺が１ｍｍ〜８ｍｍ）の角柱状や、横断面が円形（例えば、直径が１ｍｍ〜８ｍｍ）の円柱状に形成され、長さ（図１の上下方向に沿う長さ）は１ｍｍ〜１０ｍｍとされる。Ｐ型熱電変換素子３の長さとＮ型熱電変換素子４の長さは、常温（２５℃）において、同等（ほぼ同じ長さ）に設定される。なお、各熱電変換素子３，４の両端面にはニッケル、銀、金等からなるメタライズ層４１が形成される。メタライズ層４１の厚さは１μｍ以上１００μｍ以下とされる。
【００５０】
第１配線基板２Ａは、図１に示されるように、熱電変換素子３，４が接合される第１配線層１１Ａと、第１配線層１１Ａの熱電変換素子３，４との接合面とは反対面に接合された第１セラミックス層２１Ａと、第１セラミックス層２１Ａの配線層１１Ａとの接合面とは反対面に接合された第１熱伝達金属層３２Ａとを有する構成とされる。なお、熱伝達金属層３２Ａは、必須の構成要素ではない。
【００５１】
第１セラミックス層２１Ａは、一般的なセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の熱伝導性が高く、絶縁性を有する部材により形成される。また、第１セラミックス層２１Ａは複数（図１では２個）に分離され、熱電変換素子３，４毎に独立して形成されており、例えば平面視正方形状に形成される。また、第１セラミックス層２１Ａの厚さは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とされる。
【００５２】
第１配線基板２Ａには、平面視長方形状の第１配線層１１Ａが１個設けられるとともに、平面視正方形状の第１熱伝達金属層３２Ａが２個設けられている。第１配線層１１Ａは、隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間を接続して形成され、かつ、２個の第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａどうしの間に跨って形成されている。一方、第１熱伝達金属層３２Ａは、個々の第１セラミックス層２１Ａ毎に独立して形成されている。
【００５３】
第１配線層１１Ａは、銀、アルミニウム、銅又はニッケルを主成分とする材料からなり、面状に形成されている。第１配線層１１Ａの材料としては、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）や純度９９．９質量％以上の銅が好ましい。また、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続する第１配線層１１Ａの厚さとしては、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５４】
このように、第１配線層１１Ａに、純度の高い純アルミニウムや純銅等の軟らかい材料を用いて、厚さを比較的薄く形成しておくことで、隣り合う両熱電変換素子３，４の間を連結して設けられる面状の第１配線層１１Ａを両熱電変換素子３，４の熱伸縮に伴って容易に変形、追従させることができ、これら熱電変換素子３，４の間で容易に屈曲できる。なお、アルミニウム及び銅は銀と比較して安価であるから、第１配線層１１Ａをアルミニウム又は銅により成形することで、熱電変換モジュール１０１を安価に製造できる。また、第１配線層１１Ａをアルミニウム又は銅により形成することで、第１配線層１１Ａにより接続される両熱電変換素子３，４間の熱伝導性や導電性を良好に維持できる。
【００５５】
また、第１配線層１１Ａに銀を用いることで、熱電伝導性や導電性を良好に維持でき、厚さを比較的薄く形成した場合でも電気抵抗を低くできる。また、第１配線層１１Ａを含む第１配線基板２Ａが熱電変換モジュール１０１の高温側に配置される場合等において、耐熱性や耐酸化性を向上させることができる。なお、第１配線層１１Ａを銀で形成する場合、第１配線層１１Ａの厚さは１０μｍ以上２００μｍ以下とすることが好ましい。
【００５６】
また、ニッケルは、アルミニウムや銀と比較すると耐酸化性に劣るが、比較的良好な耐熱性を有する。また、ニッケルは銀と比較して安価であるとともに、比較的素子接合性が良い。このため、第１配線層１１Ａにニッケルを用いた場合、性能と価格のバランスに優れた熱電変換モジュール１０１を構成できる。また、第１配線層１１Ａを含む第１配線基板２Ａが熱電変換モジュール１０１の高温側に配置される場合等において、耐熱性や耐酸化性を向上させることができる。なお、第１配線層１１Ａをニッケルで形成する場合、第１配線層１１Ａの厚さは０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００５７】
また、第１熱伝達金属層３２Ａは、アルミニウム又銅を主成分とする材料（アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金）からなり、面状に形成されている。この第１熱伝達金属層３２Ａの材料としては、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）や純度９９．９質量％以上の銅が好ましい。このように、第１熱伝達金属層３２Ａに、純度の高い純アルミニウムや純銅等の軟らかい材料を用いることで、第１熱伝達金属層３２Ａが熱源又は冷却源に接触する際に追従性が向上し、熱伝達性が向上する。したがって、熱電変換モジュール１０１の熱電交換性能を低下させることがない。
【００５８】
なお、第１配線層１１Ａや第１熱伝達金属層３２Ａの大きさ（平面サイズ）は、第１配線層１１Ａに接続される熱電変換素子３,４の大きさに応じて、熱電変換素子３，４の端面の面積よりも同等あるいは若干大きく設定されている。また、第１セラミックス層２１Ａは、第１配線層１１Ａ，各第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａの周囲、及び各第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａの間に幅０．１ｍｍ以上のスペースを確保できる程度の平面形状に形成されている。
【００５９】
次に、このように構成された熱電変換モジュール１０１の製造方法について説明する。本実施形態の熱電変換モジュールの製造方法は、図２のフロー図に示されるように、複数の製造工程Ｓ１１〜Ｓ１４により構成される。また、図３及び図４には、本実施形態の熱電変換モジュールの製造方法の製造工程の一例を図示している。
【００６０】
（スクライブライン形成工程）
まず、図３（ａ）及び図４（ａ）に示すように、第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａを構成する大型のセラミックス母材２０１に、複数の第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａを分割するためのスクライブライン（分割溝）２０２を形成する（スクライブライン形成工程Ｓ１１）。そして、スクライブライン２０２を形成することにより、セラミックス母材２０１に複数（２個）の第１セラミックス層形成領域２０３，２０３を区画する。スクライブライン２０２は、例えば図３（ａ）に示すように、レーザ加工により形成できる。具体的には、セラミックス母材２０１の片面に、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ＹＬＦレーザ等のレーザ光Ｌを照射することにより、スクライブライン２０２の加工を行うことができる。レーザ加工によるスクライブライン２０２の加工では、セラミックス母材２０１の表面においてレーザ光Ｌが照射された部分が切削加工され、スクライブライン２０２が形成される。
【００６１】
スクライブライン２０２は、図４（ａ）に示すように、少なくともセラミックス母材２０１の片面に形成する。具体的には、２個の第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａに跨って形成される第１配線層１１Ａの接合面ではなく、その反対側の面（反対面）にスクライブライン２０２を形成する。つまり、図４（ｃ）に示されるようにセラミックス母材２０１の一方の面に第１配線層１１Ａが接合される場合には、スクライブライン２０２は、図４（ａ）に示されるようにセラミックス母材２０１の他方の面における第１熱伝達金属層３２Ａの接合予定領域を除く非接合部に形成しておく。なお、スクライブライン２０２は、第１配線層１１Ａの非接合部及び第１熱伝達金属層３２Ａの非接合部に形成するだけでなく、第１配線層１１Ａの接合部にも形成して、セラミックス母材２０１の両面に形成することもできる。
【００６２】
また、スクライブライン２０２は、図４（ａ）に示すように、セラミックス母材２０１の対向する辺同士を貫通する直線で形成する。この場合、セラミックス母材２０１に、長辺同士を貫通する１本のスクライブライン２０２を形成しており、この１本のスクライブライン２０２によりセラミックス母材２０１が二分割され、第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａの外形形状の大きさに区画された２個の第１セラミックス層形成領域２０３，２０３が整列して形成される。
【００６３】
なお、図示は省略するが、レーザ加工後に、スクライブライン２０２が形成されたセラミックス母材２０１を、エッチング液に浸漬させることにより洗浄する。
【００６４】
また、スクライブライン形成工程Ｓ１１は、レーザ加工に限定されるものではなく、ダイヤモンドスクライバー等の他の加工方法により実施することもできる。
【００６５】
（金属層形成工程）
スクライブライン形成工程Ｓ１１後に、セラミックス母材２０１の一方の面に第１配線層１１Ａ形成し、他方の面に第１熱伝達金属層３２Ａを形成する（金属層形成工程Ｓ１２）。例えば、図３（ｂ）及び図４（ｂ）に示すように、セラミックス母材２０１の一方の面、すなわちスクライブライン２０２が形成されていない面に第１配線層１１Ａとなる金属板３０１を接合するとともに、スクライブライン２０２が形成された他方の面に第１熱伝達金属層３２Ａとなる金属板３０２を接合する。これら金属板３０１と各セラミックス母材２０１、セラミックス母材２０１と金属板３０２との接合は、ろう材等を用いて行われる。
【００６６】
金属板３０１，３０２がアルミニウムを主成分とする金属材料により形成される場合は、Ａｌ‐Ｓｉ、Ａｌ‐Ｇｅ、Ａｌ‐Ｃｕ、Ａｌ‐Ｍｇ又はＡｌ‐Ｍｎ等の接合材を用いて、金属板３０１，３０２とセラミックス母材２０１とを接合する。また、金属板３０１，３０２が銅を主成分とする金属材料により形成される場合は、Ａｇ‐Ｃｕ‐ＴｉやＡｇ‐Ｔｉ等の接合材を用いて、金属板３０１，３０２とセラミックス母材２０１とを活性金属ろう付けにより接合する。また、金属板３０１，３０２とセラミックス母材２０１との接合は、ろう付け以外にもＴＬＰ接合法（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｂｏｎｄｉｎｇ）と称される過渡液相接合法によって接合してもよい。
【００６７】
次に、金属板３０１，３０２を接合したセラミックス母材２０１にエッチング処理を施し、図３（ｃ）及び図４（ｃ）に示すように、セラミックス母材２０１の一方の面に、各第１セラミックス層形成領域２０３，２０３に跨って配設される第１配線層１１Ａをパターニングするとともに、セラミックス母材２０１の他方の面に、各第１セラミックス層形成領域２０３，２０３に独立した第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａをパターニングする。スクライブライン２０２は、第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａの接合予定領域を除く非接合部に形成しているので、スクライブライン２０２上に重なって形成された金属層部分（金属板）が除去されることで、スクライブライン２０２の全体を露出させることができる。これにより、パターニングされた第１配線層１１Ａ及び第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａとセラミックス母材２０１とを有する積層体２０４が形成される。
【００６８】
なお、第１配線層１１Ａは、予めパターニングされた金属板をセラミックス母材２０１の一方の面に接合することにより、エッチング処理を施すことなく形成することもできる。同様に、第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａも、予めパターニングされた個片の金属板をセラミックス母材２０１の他方の面に接合することにより、エッチング処理を施すことなく形成することができる。
【００６９】
また、第１配線層１１Ａは、銀（Ａｇ）の焼結体により構成することもできる。第１配線層１１Ａを銀の焼結体で構成する場合には、セラミックス母材２０１の一方の面に、銀及びガラスを含むガラス入り銀ペーストを塗布して加熱処理を行うことにより、銀ペーストを焼成して形成できるので、エッチング処理を施すことなくパターニングされた第１配線層１１Ａを形成できる。なお、第１配線層１１Ａを銀の焼結体で構成する場合には、セラミックス母材２０１の少なくとも銀ペーストとの界面と接する面をアルミナで構成することが好ましい。この場合、例えば、セラミックス母材２０１の全体をアルミナで構成しても良いし、窒化アルミニウムを酸化させて表面がアルミナとなっているセラミックス基板を用いても良い。
【００７０】
（分割工程）
金属層形成工程Ｓ１２後に、スクライブライン２０２が形成された面側に凸となるようにセラミックス母材２０１を曲げることで、積層体２０４のセラミックス母材２０１をスクライブライン２０２に沿って分割し、第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａを個片化する。そして、図３（ｄ）及び図４（ｄ）に示すように、第１配線層１１Ａと、第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａと、第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａとが接合された第１配線基板２Ａを形成する（分割工程Ｓ１３）。
【００７１】
スクライブライン２０２は、第１配線層１１Ａの接合面の反対側（反対面）に形成されているので、セラミックス母材２０１をスクライブライン２０２に沿って容易に分割できる。また、スクライブライン２０２は、セラミックス母材２０１の対向する辺同士を貫通する単純な直線で形成されていることから、セラミックス母材２０１をスクライブライン２０２に沿って円滑に分割できる。
【００７２】
（接合工程）
第１配線基板２Ａの第１配線層１１Ａに、Ｐ型熱電変換素子３の一方の端面とＮ型熱電変換素子４の一方の端面とを接合する（接合工程Ｓ１４）。具体的には、第１配線層１１Ａと、Ｐ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合は、ペーストやろう材を用いた接合、荷重印加による固相拡散接合等により接合する。
【００７３】
接合工程Ｓ１４では、第１配線層１１Ａと、Ｐ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合時において適切な荷重を負荷するため、図５に示すように、対向配置される一組の加圧板４０１Ａ，４０１Ｂの間に、第１配線基板２Ａの第１配線層１１ＡとＰ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４とをそれぞれ重ねた挟持体４０５を配置しておき、挟持体４０５をその積層方向に加圧した状態で加熱することにより、第１配線層１１ＡとＰ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４とをそれぞれ接合する。この場合、各加圧板４０１Ａ，４０１Ｂは、カーボン板により構成される。
【００７４】
この第１配線層１１ＡとＰ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合時において、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とのうち少なくとも線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子と、加圧板４０１Ａ，４０１Ｂとの間に補完部材４１１を配置し、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との線膨張差に起因する熱伸縮差を補完する。具体的には、マンガンシリサイド（線膨張係数１０．８×１０−６／Ｋ程度）のＰ型熱電変換素子３とマグネシウムシリサイド（線膨張係数１７．０×１０−６／Ｋ程度）のＮ型熱電変換素子４との組み合わせでは、Ｐ型熱電変換素子３の線膨張係数はＮ型熱電変換素子４の線膨張係数よりも小さくなることから、少なくとも線膨張係数が小さいＰ型熱電変換素子３と加圧板４０１Ａ，４０１Ｂとの間に補完部材４１１を配置する。なお、補完部材４１１は、予め加圧板４０１Ａ，４０１Ｂに固定し一体化しておくことで、取り扱いが容易になる。また、図示は省略するが、補完部材４１１とＰ型熱電変換素子３のメタライズ層４１や第１熱伝達金属層３２Ａと間には、接合防止のためにグラファイトシートが配置される。
【００７５】
図５に示すように、例えば、補完部材４１１をＰ型熱電変換素子３側にのみ配置する場合、補完部材４１１は、Ｎ型熱電変換素子４よりも線膨張係数が高い材料を用いる必要がある。線膨張係数がＮ型熱電変換素子４の線膨張係数（１７．０×１０−６／Ｋ程度）よりも高い材料には、例えばアルミニウム（２３×１０−６／℃）、銅（１７×１０−６／℃）がある。これらの材料を補完部材４１１に用いる。そして、第１配線基板２ＡとＰ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合時におけるＰ型熱電変換素子３及び補完部材４１１の高さとＮ型熱電変換素子４の高さとの差を、Ｐ型熱電変換素子３の高さとＮ型熱電変換素子４の高さとの差よりも小さくする。これにより、線膨張係数が大きいＮ型熱電変換素子４の高さと、線膨張係数が小さいＰ型熱電変換素子３及び補完部材４１１の高さとを近づけることができる。したがって、一組の加圧板４０１Ａ，４０１Ｂの間で、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａとを密着させてそれぞれ均一に加圧できる。
【００７６】
なお、図５に示した例では、下側の加圧板４０１Ａと挟持体４０５との間に補完部材４１１を配置するとともに、上側の加圧板４０１Ｂと挟持体４０５との間に補完部材４１１を配置したが、いずれか一方の間に補完部材４１１を配置してもよい。
【００７７】
なお、接合工程Ｓ１４では、図６に示すように、補完部材４１２，４１３を、Ｐ型熱電変換素子３側とＮ型熱電変換素子４側との双方に配置して行うこともできる。この場合、線膨張係数の小さいＰ型熱電変換素子３側には線膨張係数の小さい材料からなる補完部材４１２を配置し、線膨張係数の大きいＮ型熱電変換素子４側には補完部材４１２よりも線膨張係数の大きい材料からなる補完部材４１３を配置する。なお、図示は省略するが、各補完部材４１２，４１３と両熱電変換素子３，４のメタライズ層４１との間には、接合防止のためにグラファイトシートが配置される。
【００７８】
例えば、Ｐ型熱電変換素子３側に配置する補完部材４１２の材料としてアルミニウム（２３×１０−６／℃）や銅（１７×１０−６／℃）を用いることができ、Ｎ型熱電変換素子４側に配置する補完部材４１３の材料として鉄（１２×１０−６／℃）やニッケル（１３×１０−６／℃）を用いることができる。これにより、第１配線基板２ＡとＰ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合時において、Ｐ型熱電変換素子３及び補完部材４１２の高さとＮ型熱電変換素子４及び補完部材４１３の高さとの差を、Ｐ型熱電変換素子３の高さとＮ型熱電変換素子４の高さとの差よりも小さくでき、Ｐ型熱電変換素子３及び補完部材４１２の高さとＮ型熱電変換素子４及び補完部材４１３の高さとを揃えることができる。したがって、一組の加圧板４０１Ａ，４０１Ｂの間で、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａとを密着させてそれぞれ均一に加圧できる。
【００７９】
なお、第１配線基板２Ａは、個片化された複数の第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａを有しているので、接合工程Ｓ１４において挟持体４０５が加熱された際に、各第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａは互いに相手側を拘束することがない。このため、第１配線基板２Ａの各部位に積層されたＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４の熱膨張に追従して移動できる。これにより、第１配線基板２Ａを介してＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが直列に接続された熱電変換モジュール１０１を製造できる。
【００８０】
このようにして製造された熱電変換モジュール１０１は、例えば図１の下側に外部の熱源（図示略）や冷却流路（図示略）等が配置される。これにより、各熱電変換素子３，４に上下の温度差に応じた起電力が発生し、配列の両端の配線９１，９１間に、各熱電変換素子３，４に生じる起電力の総和の電位差を得ることができる。
【００８１】
また、このような使用環境下において、熱電変換モジュール１０１の両熱電変換素子３，４の熱膨張に差が生じるが、熱電変換モジュール１０１では、第１配線基板２Ａを構成する各第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａが隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間で分離され、熱電変換素子３，４毎に独立して形成されており、剛体の第１セラミックス層２１Ａ，２１ＡにおけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間の接続が分断されている。このため、各熱電変換素子３，４は、各第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａによって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。
【００８２】
また、隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮差は、両熱電変換素子３，４の間を接続する第１配線層１１Ａの接続部分が変形して寸法変化を吸収することができる。このため、熱伸縮差により熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できる。そして、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により、熱電変換素子３，４が第１配線基板２Ａ（第１配線層１１Ａ）から剥がれたり、熱電変換素子３，４にクラックが生じたりすることを防止できる。したがって、第１配線層１１Ａにより接続される熱電変換素子３，４間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュール１０１の接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【００８３】
また、第１配線基板２Ａには、絶縁基板である第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａが設けられているので、熱電変換モジュール１０１を熱源等に設置したときに、第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａにより熱源等と第１配線層１１Ａとが接触することを防止できる。したがって、熱源等と第１配線層１１Ａとの電気的なリークを確実に回避でき、絶縁状態を良好に維持できる。
【００８４】
なお、熱電変換素子３，４自体は電圧が低いことから、絶縁基板である第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａが各熱電変換素子３，４毎に独立して形成され、第１配線層１１Ａの全面に第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａが接合されていなくても、第１配線層１１Ａが熱源等と物理的に接触しない限り、電気的なリークを生じることはない。
【００８５】
また、第１配線基板２Ａには、第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａが設けられているので、熱電変換モジュール１０１を熱源等に設置したときに、第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａにより熱源等と熱電変換モジュール１０１との密着性を高めることができ、熱伝達性を向上できる。したがって、熱電変換モジュール１０１の熱電交換性能（発電効率）を向上させることができる。
【００８６】
なお、第１実施形態の接合工程Ｓ１４では、図５及び図６に示すように、補完部材４１１〜４１３を用いることにより、少なくとも線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子（Ｐ型熱電変換素子３）と、加圧板４０１Ａ，４０１Ｂとの間に補完部材４１１〜４１３を配置し、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との線膨張差に起因する熱伸縮差を補完し、一組の加圧板４０１Ａ，４０１Ｂの間で、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａとを密着させて均一に加圧することにしたが、接合工程は、これに限定されるものではない。
【００８７】
例えば、図７に示すように、挟持体４０５を積層方向に偶数個（図７においては２個）重ねて配置するとともに、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを積層方向に同数配置しておくことにより、第１配線層１１Ａと、Ｐ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合時において、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａとを密着させてそれぞれ均一に加圧できる。また、各挟持体４０５，４０５の間にクッション性を有するグラファイトシート４２０を配設しておくことで、第１配線基板２Ａの面方向の各熱電変換素子３，４の配置箇所において、それぞれの傾きを補正でき、各熱電変換素子３，４と第１配線基板２Ａとをより均一に加圧できる。
【００８８】
この場合、積層方向に隣接する２個の挟持体４０５，４０５の各第１配線基板２Ａ，２Ａどうしを対向させて配置することで、第１配線基板２Ａの面方向の各熱電変換素子３，４の配置箇所において、それぞれＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを積層方向に１個ずつ（同数）配置できる。このようにして挟持体４０５，４０５を積層方向に偶数個重ねて配置することで、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４のうち、線膨張係数が小さい一方の熱電変換素子と、線膨張係数が大きい他方の熱電変換素子とを常に同数重ねて配置でき、接合（加熱）時において、複数個を重ねた挟持体４０５，４０５の高さを面方向において均一にできる。また、前述したように、各挟持体４０５，４０５の間にクッション性を有するグラファイトシート４２０を介在させることで、それぞれの傾きを補正でき、各熱電変換素子３，４と第１配線基板２Ａとをより均一に加圧できる。
【００８９】
したがって、一組の加圧板４０１Ａ、４０１Ｂの間で、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａとを密着させて均一に加圧でき、各熱電変換素子３，４と第１配線基板２Ａとを確実に接合できる。また、このように挟持体４０５を複数重ねることで、一度の接合工程Ｓ１４において、熱電変換モジュール１０１を複数製造できる。
【００９０】
また、図１に示す第１実施形態では、熱電変換素子３，４の一端側に配設された第１配線基板２Ａを有する構成としたが、図８に示す第２実施形態の熱電変換モジュール１０２のように、熱電変換素子３，４の一端側（図８において下側）に第１配線基板２Ａを配設し、他端側（図８において上側）に第２配線基板２Ｂを配設することもできる。この場合、対向配置される第１配線基板２Ａと第２配線基板２Ｂとを介してＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを電気的に直列に接続できる。
以下、第２実施形態の熱電変換モジュール１０２において、第１実施形態の熱電変換モジュール１０１と共通する要素には、同一符号を付して説明を省略する。
【００９１】
熱電変換素子３，４の一端側（図８において下側）に配設される第１配線基板２Ａは、第１実施形態と同じであり、説明を省略する。
熱電変換素子３，４の他端側（図８において上側）に配設される第２配線基板２Ｂは、第２配線層１２Ｂ，１２Ｂと、第２配線層１２Ｂ，１２Ｂの熱電変換素子３，４との接合面とは反対面に接合された第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂと、第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂの第２配線層１２Ｂ，１２Ｂとの接合面とは反対面に接合された第２熱伝達金属層３１Ｂとを有する構成とされる。
【００９２】
第２配線基板２Ｂを構成する第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂは複数（図８では２個）に分離され、第１実施形態と同様に、各熱電変換素子３，４毎に独立して形成されており、それぞれ平面視正方形状に形成される。そして、第２配線基板２Ｂには、平面視正方形状の第２配線層１２Ｂ，１２Ｂが２個設けられるとともに、平面視長方形状の第２熱伝達金属層３１Ｂが１個設けられている。第２配線層１２Ｂ，１２Ｂは、第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂ毎に独立して形成されており、各熱電変換素子３，４に個別に接続されている。一方、第２熱伝達金属層３１Ｂは、隣り合う両第２配線層１２Ｂ，１２Ｂの間に跨って形成され、かつ、隣り合う両第２セラミックス層２１Ｂ,２１Ｂの間に跨って形成されている。
【００９３】
第２実施形態の熱電変換モジュール１０２では、第１配線基板２Ａの第１配線層１１Ａと第２配線基板２Ｂの第２熱伝達金属層３１Ｂとを同一の金属材料により同形状（同じ厚み、同じ平面サイズ）に形成するとともに、第１配線基板２Ａの第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａと第２配線基板２Ｂの第２配線層１２Ｂ，１２Ｂとを同一の金属材料により同形状に形成しており、第１配線基板２Ａと第２配線基板２Ｂとが、２個のセラミックス層（第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａ又は第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂ）と、両セラミックス層の一方の面に接合された平面視長方形状の金属層（第１配線層１１Ａ又は第２熱伝達金属層３１Ｂ）と、両セラミックス層の他方の面に接合され、各セラミックス層に独立して形成された平面視正方形状の金属層（第１熱伝達金属層３２Ａ，３２Ａ又は第２配線層１２Ｂ，１２Ｂ）と、を有する構成とされる。つまり、両配線基板２Ａ，２Ｂは、同じ構成の１種類の配線基板により構成されている。そして、このように構成される一組の配線基板２Ａ，２Ｂの間に、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが交互に直列に接続されることにより、熱電変換モジュール１０２が構成されている。したがって、熱電変換モジュール１０２の製造方法については、説明を省略する。
【００９４】
このようにして製造される第２実施形態の熱電変換モジュール１０２においても、各配線基板２Ａ，２Ｂを構成する各セラミックス層２１Ａ，２１Ｂが熱電変換素子３，４毎に独立して形成されており、剛体のセラミックス層２１Ａ，２１ＢにおけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間の接続が分断されている。このため、各熱電変換素子３，４は、各セラミックス層２１Ａ，２１Ｂによって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。
【００９５】
また、第１配線基板２Ａの各第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａの間は第１配線層１１Ａにより連結され、第２配線基板２Ｂの各第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂの間は第２熱伝達金属層３１Ｂにより連結されているのみであるので、隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮差は、両熱電変換素子３，４の間を接続する第１配線層１１Ａ又は第２熱伝達金属層３１Ｂの接続部分が変形して寸法変化を吸収することができる。このため、熱伸縮差により熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できる。そして、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により、熱電変換素子３，４が両配線基板２Ａ，２Ｂ（第１配線層１１Ａ又は第２配線層１２Ｂ，１２Ｂ）から剥がれたり、熱電変換素子３，４にクラックが生じたりすることを防止できる。したがって、第１配線層１１Ａと第２配線層１２Ｂ，１２Ｂとにより接続される熱電変換素子３，４間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュール１０２の接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【００９６】
また、各配線基板２Ａ，２Ｂには、それぞれ絶縁基板であるセラミックス層２１Ａ，２１Ｂが設けられているので、熱電変換モジュール１０２を熱源等に設置したときに、セラミックス層２１Ａ，２１Ｂにより熱源等と第１配線層１１Ａ又は第２配線層１２Ｂ，１２Ｂとが接触することを防止できる。したがって、熱源等と第１配線層１１Ａ又は第２配線層１２Ｂ，１２Ｂとの電気的なリークを確実に回避でき、絶縁状態を良好に維持できる。
【００９７】
また、配線基板２Ａ，２Ｂには、第１熱伝達金属層３２Ａ又は第２熱伝達金属層３１Ｂが設けられているので、熱電変換モジュール１０２を熱源等に設置したときに、各熱伝達金属層３２Ａ，３１Ｂにより熱源等と熱電変換モジュール１０２との密着性を高めることができ、熱伝達性を向上できる。したがって、熱電変換モジュール１０２の熱電交換性能（発電効率）を向上させることができる。
【００９８】
なお、図８に示す第２実施形態では、一組の配線基板２Ａ，２Ｂの双方を、熱電変換素子３，４毎に独立して形成されたセラミックス層２１Ａ，２１Ａ又は２１Ｂ，２１Ｂを有する構成としたが、少なくとも一方の配線基板のみを、熱電変換素子３，４毎に独立して形成されたセラミックス層を有する構成とすることにより、両熱電変換素子３，４の熱伸縮差に伴う寸法変化を緩和でき、熱伸縮差による熱電変換素子３，４のクラックや一組の配線基板との剥離等の発生を防止できる。したがって、一組の配線基板２Ａ，２Ｂのうち、少なくともいずれか一方のセラミックス層を、熱電変換素子３，４毎に独立して形成すればよい。
【００９９】
図９〜図１１は、本発明の第３実施形態の熱電変換モジュール１０３を示している。第１実施形態及び第２実施形態では、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを１個ずつ組み合わせることにより熱電変換モジュール１０１，１０２を構成していたが、第３実施形態の熱電変換モジュール１０３のように、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とをぞれそれ複数組み合わせて、大型の熱電変換モジュールを構成することもできる。
【０１００】
第３実施形態の熱電変換モジュール１０３は、対向配置される第１配線基板５Ａと第２配線基板５Ｂとの一組の配線基板５Ａ，５Ｂの間に、複数のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが組み合わされて面状（二次元）に配列されており、各々のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが、上下の配線基板５Ａ，５Ｂを介して電気的に直列に接続された構成とされる。以下、第３実施形態の熱電変換モジュール１０３において、第１実施形態の熱電変換モジュール１０１及び第２実施形態の熱電変換モジュール１０２と共通する要素には、同一符号を付して説明を省略する。
【０１０１】
第１配線基板５Ａは、図９〜図１１に示されるように、複数の第１配線層１１Ａ又は１２Ａと、第１配線層１１Ａ，１２Ａの熱電変換素子３，４との接合面とは反対面に接合された複数の第１セラミックス層２１Ａと、第１セラミックス層２１Ａの第１配線層１１Ａ，１２Ａとの接合面とは反対面に接合された第１熱伝達金属層３１Ａとを有する構成とされる。
また、第２配線基板５Ｂは、図９、図１２及び図１３に示されるように、第２配線層１１Ｂと、第２配線層１１Ｂの熱電変換素子３，４との接合面とは反対面に接合された複数の第２セラミックス層２１Ｂと、第２セラミックス層２１Ｂの第２配線層１１Ｂとの接合面とは反対面に接合された第２熱伝達金属層３１Ｂ，３２Ｂとを有する構成とされる。
【０１０２】
各配線基板５Ａ，５Ｂを構成するセラミックス層２１Ａ，２１Ｂは、第１実施形態と同様に、各熱電変換素子３，４毎に独立して形成されている。なお、熱電変換モジュール１０３には、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とがそれぞれ７個ずつ設けられており、合計１４個の熱電変換素子が設けられている。そして、各配線基板５Ａ，５Ｂには、熱電変換素子３，４の個数よりも多い、１６個ずつのセラミックス層２１Ａ，２１Ｂがそれぞれ設けられている。また、第１配線基板５Ａの各第１セラミックス層２１Ａの間は、第１配線層１１Ａ又は第１熱伝達金属層３１Ａのいずれかにより連結されており、第１配線基板５Ａを構成する複数の第１セラミックス層２１Ａが一体に設けられている。一方、第２配線基板５Ｂの各第２セラミックス層２１Ｂの間は、第２配線層１１Ｂ又は第２熱伝達金属層３１Ｂのいずれかにより連結されており、第２配線基板５Ｂを構成する複数の第２セラミックス層２１Ｂが一体に設けられている。
【０１０３】
図９の下側に配設される第１配線基板５Ａには、図１０に示されるように平面視長方形状の第１配線層１１Ａが７個と、平面視正方形状の第１配線層１２Ａが２個設けられるとともに、図１１に示されるように平面視長方形状の第１熱伝達金属層３１Ａが８個設けられている。また、図９の上側に配設される第２配線基板５Ｂには、図１２に示されるように平面視長方形状の第２配線層１１Ｂが８個設けられるとともに、図１３に示されるように平面視長方形状の第２熱伝達金属層３１Ｂが７個と、平面視正方形状の第２熱伝達金属層３２Ｂが２個設けられている。
【０１０４】
第１配線基板５Ａの第１配線層１１Ａは、隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間を接続して形成され、かつ、両熱電変換素子３，４の第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａどうしの間に跨って形成されている。一方、第１配線層１２Ａは、第１配線層１１Ａが形成されていない第１セラミックス層２１Ａのみに、独立して形成されている。また、第１熱伝達金属層３１Ａは、隣り合う両第１配線層１１Ａ，１１Ａの間に跨って形成され、かつ、隣り合う両第１セラミックス層２１Ａ，２１Ａの間に跨って形成されている。
【０１０５】
また、第２配線基板５Ｂの第２配線層１１Ｂは、隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間を接続して形成され、かつ、両熱電変換素子３，４の第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂどうしの間に跨って形成されている。また、第２熱伝達金属層３１Ｂは、隣り合う両第２配線層１１Ｂ，１１Ｂの間に跨って形成され、かつ、隣り合う両第２セラミックス層２１Ｂ，２１Ｂの間に跨って形成されている。一方、第２熱伝達金属層３２Ｂは、第２熱伝達金属層３２Ｂが形成されていない第２セラミックス層２１Ｂのみに、独立して形成されている。
【０１０６】
また、第１配線基板５Ａの第１配線層１１Ａと第２配線基板５Ｂの第２熱伝達金属層３１Ｂと、第１配線基板５Ａの第１配線層１２Ａと第２熱伝達金属層３２Ｂとは、同一の金属材料により同形状（同じ厚み、同じ平面サイズ）に形成されている。また、第１配線基板５Ａの第１熱伝達金属層３１Ａと第２配線基板５Ｂの第２配線層１１Ｂとは、同一の金属材料により同形状に形成されており、第１配線基板５Ａと第２配線基板５Ｂとは、同じ構成の１種類の配線基板により構成されている。そして、このように構成される一組の配線基板５Ａ，５Ｂの間に、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが交互に直列に接続されることにより、熱電変換モジュール１０３が構成されている。
【０１０７】
次に、このように構成された熱電変換モジュール１０３の製造方法について説明する。第３実施形態の熱電変換モジュールの製造方法は、第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法のフローと同様のフローにより構成される。したがって、第３実施形態の熱電変換モジュールの製造方法についても、図２のフロー図を用いて説明を行う。また、第１配線基板５Ａと第２配線基板５Ｂとは、同じ構成の１種類の配線基板により構成されることから、工程Ｓ１１〜Ｓ１３では、第２配線基板５Ｂの製造工程の説明を省略し、第１配線基板５Ａの製造工程についてのみ説明する。
【０１０８】
（スクライブライン形成工程）
まず、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１セラミックス層２１Ａを構成する大型のセラミックス母材２０５に、複数のセラミックス層２１Ａを分割するためのスクライブライン２０２ａ，２０２ｂを形成し、セラミックス母材２０５に複数（１６個）の第１セラミックス層形成領域２０３を区画する（スクライブライン形成工程Ｓ１１）。図１４（ａ）は、第１配線層１１Ａ，１２Ａが形成されるセラミックス母材２０５の一方の面を表側に向けて配置したセラミックス母材２０５の平面図であり、図１４（ｂ）は、第１熱伝達金属層３１Ａが形成されるセラミックス母材２０５の他方の面を表側に向けて配置したセラミックス母材２０５の平面図を表す。
【０１０９】
セラミックス母材２０５の一方の面には、図１４（ａ）に示すように、第１配線層１１Ａ，１２Ａの接合予定領域の間を通すようにして、第１配線層１１Ａ，１２Ａの接合予定領域を除く非接合部にスクライブライン２０２ｂを形成する。具体的には、セラミックス母材２０５の横方向に対向する辺同士を貫通する直線で形成された２本のスクライブライン２０２ｂを形成する。
【０１１０】
一方、セラミックス母材２０５の他方の面には、図１４（ｂ）に示すように、第１熱伝達金属層３１Ａの接合予定領域の間を通すようにして、第１熱伝達金属層３１Ａの接合予定領域を除く非接合部にスクライブライン２０２ａ，２０２ｂを形成する。具体的には、セラミックス母材２０５の縦方向に対向する辺同士を貫通する直線で形成された３本のスクライブライン２０２ａと、セラミックス母材２０５の横方向に対向する辺同士を貫通する直線で形成された１本のスクライブライン２０２ｂを形成する。
【０１１１】
このように、セラミックス母材２０５の一方の面と他方の面とにスクライブライン２０２ａ，２０２ｂを形成することにより、セラミックス母材２０５の縦方向に等間隔で３本のスクライブライン２０２ａを形成するとともに、横方向に等間隔で３本のスクライブライン２０２ｂを形成でき、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂが縦横に３本ずつ格子状に形成される。これらの６本のスクライブライン２０２ａ，２０２ｂにより、セラミックス母材２０５には、第１セラミックス層２１Ａの外形形状の大きさに区画された１６個の第１セラミックス層形成領域２０３が縦横に４個ずつ整列して形成される。
【０１１２】
なお、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂは、第１配線層１１Ａ，１２Ａの非接合部及び第１熱伝達金属層３１Ａの非接合部に形成するだけでなく、第１配線層１１Ａの接合部及び第１熱伝達金属層３１Ａの接合部にも形成して、セラミックス母材２０５の両面に形成することもできる。
【０１１３】
（金属層形成工程）
スクライブライン形成工程Ｓ１１後に、図１５（ａ）に示すように、セラミックス母材２０５の一方の面に第１配線層１１Ａ，１２Ａを形成し、図１５（ｂ）に示すように、セラミックス母材２０５の他方の面に第１熱伝達金属層３１Ａを形成し、セラミックス母材２０５の両面に第１配線層１１Ａ，１２Ａと第１熱伝達金属層３１Ａとが接合された積層体２０６を形成する（金属層形成工程Ｓ１２）。
【０１１４】
詳細な説明は省略するが、セラミックス母材２０５の一方の面に第１配線層１１Ａ，１２Ａとなる金属板を接合するとともに、セラミックス母材２０５の他方の面に第１熱伝達金属層３１Ａとなる金属板を接合した後、エッチング処理を施すことにより、セラミックス母材２０５の一方の面に第１配線層１１Ａ，１２Ａをパターンニングするとともに、セラミックス母材２０５の他方の面に第１熱伝達金属層３１Ａをパターンニングする。この際、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂは、第１配線層１１Ａ，１１Ｂの接合予定領域を除く非接合部と第１熱伝達金属層３１Ａの接合予定領域を除く非接合部に形成しているので、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂ上に重なって形成された金属層部分（金属板）が除去されることで、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂの全体を露出させることができる。
【０１１５】
なお、第１配線層１１Ａ，１２Ａ及び第１熱伝達金属層３１Ａは、予めパターニングされた金属板をセラミックス母材２０５に接合することにより、エッチング処理を施すことなく形成することもできる。また、第１配線層１１Ａ，１２Ａは、銀（Ａｇ）の焼結体により構成することもできる。
【０１１６】
（分割工程）
金属層形成工程Ｓ１２後に、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂが形成された面側に凸となるようにセラミックス母材２０５を曲げることで、積層体２０６のセラミックス母材２０５をスクライブライン２０２ａ，２０２ｂに沿って分割し、第１セラミックス層形成領域２０３を個々の第１セラミックス層２１Ａに個片化する。これにより、第１配線層１１Ａ，１２Ａと、第１セラミックス層２１Ａと、第１熱伝達金属層３１Ａとが接合された第１配線基板５Ａを形成する（分割工程Ｓ１３）。
【０１１７】
スクライブライン２０２ａ，２０２ｂは、第１配線層１１Ａ又は第１熱伝達金属層３１Ａの接合面の反対側に形成されているので、セラミックス母材２０５をスクライブライン２０２ａ，２０２ｂに沿って容易に分割できる。また、スクライブライン２０２ａ，２０２ｂは、セラミックス母材２０５の対向する辺同士を貫通する単純な直線で形成されていることから、セラミックス母材２０５をスクライブライン２０２ａ，２０２ｂに沿って円滑に分割できる。なお、第２配線基板５Ｂは、第１配線基板５Ａと同様の工程により製造される。
【０１１８】
このようにして形成される第１配線基板５Ａは、複数の第１配線層１１Ａ，１２Ａを有しているが、第１熱伝達金属層３１Ａにより各第１配線層１１Ａ，１１Ａ又は１１Ａ，１２Ａの間が連結された状態となる。また、個片化された第１セラミックス層２１Ａが、第１配線層１１Ａ又は第１熱伝達金属層３１Ａにより連結されているので、第１配線基板５Ａでは、第１配線層１１Ａ，１２Ａ、第１セラミックス層２１Ａ、第１熱伝達金属層３１Ａを一体に取り扱うことができる。また、第１配線基板５Ａと同様に構成される第２配線基板５Ｂも、第２配線層１１Ｂ、第２セラミックス層２１Ｂ，第２熱伝達金属層３１Ｂ，３２Ｂを一体に取り扱うことができる。
【０１１９】
（接合工程）
次に、一方の第１配線基板５Ａの第１配線層１１Ａに、Ｐ型熱電変換素子３の一方の端面とＮ型熱電変換素子４の一方の端面とを接合するとともに、他方の第２配線基板５Ｂの第２配線層１１ＢにＰ型熱電変換素子３の他方の端面とＮ型熱電変換素子４の他方の端面とを接合する（接合工程Ｓ１４）。これにより、図９に示すように、両配線基板５Ａ，５Ｂの間に、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが交互に直列に接続された熱電変換モジュール１０３を製造する。具体的には、各配線層１１Ａ，１１Ｂと、Ｐ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合は、ペーストやろう材を用いた接合、荷重印加による固相拡散接合等により接合する。そして、図５〜図７に示した第１実施形態の熱電変換モジュール１０１と同様に、一組の加圧板４０１Ａ，４０１Ｂの間で、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａ，１１Ｂとを密着させて均一に加圧して行う。
【０１２０】
図示は省略するが、この接合工程Ｓ１４では、第１実施形態と同様に補完部材を用いたり、偶数個の挟持体を積層方向に重ねて配置して行うことができる。これにより、第１配線層１１Ａ，１１Ｂと、Ｐ型熱電変換素子３及びＮ型熱電変換素子４との接合時において、各熱電変換素子３，４と第１配線層１１Ａ，１１Ｂとを密着させてそれぞれ均一に加圧できる。また、偶数個の挟持体を積層方向に重ねて配置する場合には、各挟持体の間にクッション性を有するグラファイトシートを配設しておくことで、両配線基板５Ａ，５Ｂの面方向の各熱電変換素子３，４の配置箇所において、それぞれの傾きを補正でき、各熱電変換素子３，４と両配線基板５Ａ，５Ｂとをより均一に加圧できる。
【０１２１】
なお、前述したように、第１配線基板５Ａは、複数の第１配線層１１Ａ，１２Ａを有しているが、各第１配線層１１Ａ，１２Ａの間が第１熱伝達金属層３１Ａにより連結されているので、各第１配線層１１Ａ，１２Ａを一体に取り扱うことができ、第１配線基板５Ａを容易に取り扱うことができる。同様に、第２配線基板５Ｂは、複数の第２配線層１１Ｂを有しているが、各第２配線層１１Ｂの間が第２熱伝達金属層３１Ｂにより連結されているので、各第２配線層１１Ｂを一体に取り扱うことができ、第２配線基板５Ｂを容易に取り扱うことができる。
【０１２２】
また、第３実施形態の製造方法のように、大型のセラミックス母材２０５に第１配線層１１Ａ，１２Ａと第１熱伝達金属層３１Ａとを形成した後に、セラミックス母材２０５をスクライブライン２０２ａ，２０２ｂに沿って分割することで、容易に所定のパターンに配列された第１配線層１１Ａ，１２Ａと個片化された第１セラミックス層２１Ａとを有する第１配線基板５Ａを形成できる。そして、この第１配線基板５Ａを用いることにより、熱電変換素子３，４が多数接合（搭載）される大型の熱電変換モジュール１０３を容易に製造できる。
【０１２３】
また、このようにして製造される第３実施形態の熱電変換モジュール１０３においても、第１配線基板５Ａを構成する各第１セラミックス層２１Ａが熱電変換素子３，４毎に独立して形成されており、剛体の第１セラミックス層２１ＡにおけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間の接続が分断されている。また、第１配線基板５Ａと対向配置される第２配線基板５Ｂについても、各第２セラミックス層２１Ｂが熱電変換素子３，４毎に独立して形成されており、剛体の第２セラミックス層２１ＢにおけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間の接続が分断されている。このため、各熱電変換素子３，４は、各セラミックス層２１Ａ，２１Ｂによって熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。
【０１２４】
また、各第１セラミックス層２１Ａの間は第１配線層１１Ａ又は第１熱伝達金属層３１Ａのいずれかにより連結されているのみであり、各第２セラミックス層２１Ｂの間は第２配線層１１Ｂ又は第２熱伝達金属層３１Ｂのいずれかにより連結されているのみであるので、隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮差は、両熱電変換素子３，４の間を接続する第１配線層１１Ａ又は第１熱伝達金属層３１Ａの接続部分、第２配線層１１Ｂ又は第２熱伝達金属層３１Ｂの接続部分が変形して寸法変化を吸収することができる。このため、熱伸縮差により熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できる。そして、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により、熱電変換素子３，４が配線基板５Ａ，５Ｂ（第１配線層１１Ａ，１２Ａ、第２配線層１１Ｂ）から剥がれたり、熱電変換素子３，４にクラックが生じたりすることを防止できる。したがって、第１配線層１１Ａ，１２Ａと第２配線層１１Ｂとにより接続される熱電変換素子３，４間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュール１０３の接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【０１２５】
また、各配線基板５Ａ，５Ｂには、絶縁基板であるセラミックス層２１Ａ又は２１Ｂが設けられているので、熱電変換モジュール１０３を熱源等に設置したときに、セラミックス層２１Ａ又は２１Ｂにより熱源等と配線層１１Ａ，１２Ａ又は１１Ｂとが接触することを防止できる。したがって、熱源等と配線層１１Ａ，１２Ａ又は１１Ｂとの電気的なリークを確実に回避でき、絶縁状態を良好に維持できる。
【０１２６】
また、配線基板５Ａ，５Ｂには、熱伝達金属層３１Ａ又は３１Ｂ，３２Ｂが設けられているので、熱電変換モジュール１０３を熱源等に設置したときに、熱伝達金属層３１Ａ，３１Ｂ，３２Ｂにより熱源等と熱電変換モジュール１０３との密着性を高めることができ、熱伝達性を向上できる。したがって、熱電変換モジュール１０３の熱電交換性能（発電効率）を向上させることができる。
【０１２７】
上記実施形態の熱電変換モジュール１０１，１０２，１０３では、第１配線基板２Ａ，５Ａと第２配線基板２Ｂ，５Ｂを、個々の熱電変換素子３，４毎に独立して形成された複数の第１セラミックス層２１Ａ又は第２セラミックス層２１Ｂを有する構成としたが、図１６〜図１８に示す第１配線基板６Ａ〜６Ｃのように、複数個の熱電変換素子３，４毎に分離され、いずれかのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間で分離された第１セラミックス層２２Ａ〜２２Ｃを有する構成としてもよい。
【０１２８】
例えば、図１６に示す第１配線基板６Ａは、第２実施形態の熱電変換モジュール１０３の第１配線基板５Ａと同様の第１配線層１１Ａ，１２Ａと第１熱伝達金属層３１Ａとからなるパターンを有しているが、第１セラミックス層２２Ａは隣り合う一組（２個）の熱電変換素子３，４毎に分離され、合計８個の第１セラミックス層２２Ａにより構成される。そして、各第１セラミックス層２２Ａ，２２Ａの間は、第１配線層１１Ａにより連結されており、第１配線基板６Ａを構成する複数の第１セラミックス層２２Ａが一体に設けられている。また、第１配線基板６Ａの第１配線層１１Ａは、一組のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間を接続して形成され、かつ、両熱電変換素子３，４の第１セラミックス層２２Ａ，２２Ａどうしの間に跨って形成されている。
【０１２９】
このように構成される第１配線基板６Ａを用いた熱電変換モジュールにおいても、剛体の第１セラミックス層２２Ａは、いずれかのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間で分断され、複数設けられているので、これらのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間では、互いに相手側に接合された第１セラミックス層２２Ａにより、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。また、各第１セラミックス層２２Ａの分離部分におけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮差は、両熱電変換素子３，４の間を接続する第１配線層１１Ａの接続部分が変形して寸法変化を吸収できるので、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により各熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できる。
【０１３０】
なお、第１セラミックス層の個数は、図１６に示す第１配線基板６Ａよりも、さらに少なくすることができる。
例えば、図１７に示す第１配線基板６Ｂの第１セラミックス層２２Ｂは、４個の熱電変換素子３，４毎に分離され、合計４個の第１セラミックス層２２Ｂにより構成される。また、図１８に示す第１配線基板６Ｃの第１セラミックス層２２Ｃは、８個の熱電変換素子３，４毎に分離され、合計２個の第１セラミックス層２２Ｃにより構成される。
【０１３１】
このように、複数設けられる第１セラミックス層２２Ｂ，２２Ｃを、いずれかのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間で分断して設けることで、これらのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間では、互いに相手側に接合された第１セラミックス層２２Ｂ，２２Ｃにより、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。また、各第１セラミックス層２２Ｂ，２２Ｃの分離部分におけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮差は、両熱電変換素子３，４の間を接続する第１配線層１１Ａの接続部分が変形して寸法変化を吸収できるので、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により各熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できる。
【０１３２】
このように、複数の第１配線層１１Ａを有する大型の第１配線基板６Ａ〜６Ｃを用いた熱電変換モジュールにおいても、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により各熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できるので、各熱電変換素子３，４が第１配線基板６Ａ〜６Ｃ（第１配線層１１Ａ）から剥がれたり、各熱電変換素子３，４にクラックが生じたりすることを防止できる。したがって、第１配線層１１Ａにより接続される両熱電変換素子３，４間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュールの接合信頼性、熱伝導性及び導電性を良好に維持できる。
【０１３３】
なお、上記実施形態の第１配線基板２Ａ，５Ａ，６Ａ〜６Ｃにおいては、それぞれ複数のパターンに分離された第１熱伝達金属層３１Ａ，３２Ａを有する構成としていたが、図１９に示す第１配線基板７Ａのように、第１熱伝達金属層３１Ｃを、３個以上の第１セラミックス層２２Ａを連結する大型に構成することもできる。この場合、各第１セラミックス層２２Ａを第１熱伝達金属層３１Ｃにより連結できるので、第１配線層１１Ａにより各第１セラミックス層２２Ａを連結することなく、第１配線基板７Ａを一体化して構成できる。
【０１３４】
図１９に示す第１配線基板７Ａを用いた熱電変換モジュールにおいても、複数設けられる第１セラミックス層２２Ａを、いずれかのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間で分断して設けることで、これらのＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間では、互いに相手側に接合された第１セラミックス層２２Ａより、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮に伴う変形が拘束されることがない。また、各第１セラミックス層２２Ａの分離部分におけるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との熱伸縮差は、両熱電変換素子３，４の間を接続する第１熱伝達金属層３１Ｃの接続部分が変形して寸法変化を吸収できるので、各熱電変換素子３，４の熱伸縮差により各熱電変換素子３，４内に生じる熱応力の発生を抑制できる。
【０１３５】
なお、上述した実施形態において、第２配線層、第２セラミックス層及び第２熱伝達金属層は、それぞれ第１配線層、第１セラミックス層及び第２熱伝達金属層と同様の構成とすることができる。
【０１３６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【０１３７】
２Ａ，５Ａ，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，７Ａ  第１配線基板
２Ｂ，５Ｂ  第２配線基板
３  Ｐ型熱電変換素子（熱電変換素子）
４  Ｎ型熱電変換素子（熱電変換素子）
１１Ａ，１２Ａ  第１配線層
１１Ｂ，１２Ｂ  第２配線層
２１Ａ，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ  第１セラミックス層
２１Ｂ  第２セラミックス層
３１Ａ，３２Ａ，３１Ｃ  第１熱伝達金属層
３１Ｂ，３２Ｂ  第２熱伝達金属層
４１  メタライズ層
９１  配線
２０１，２０５  セラミックス母材
２０２，２０２ａ，２０２ｂ  スクライブライン
２０３  第１セラミックス層形成領域
２０４，２０６  積層体
３０１，３０２  金属板
４０１Ａ，４０１Ｂ  加圧板
４０５  挟持体
４１１，４１２，４１３  補完部材
４２０  グラファイトシート
１０１，１０２，１０３  熱電変換モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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