(57)【要約】  本発明は、熱電変換素子の高密度配列と接続信頼性の確保を容易に実現できる熱電変換素子モジュールおよびその製造方法を提供する。本発明の熱電変換素子モジュールは、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換材料とが第一の方向に交互に配列し、熱電変換材料の周囲に耐熱性絶縁材が満たされてなる熱電変換素子群を有し、熱電変換素子群の側部では第一の方向に沿ってＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換材料とが接続電極によって接続され、熱電変換素子群のその他の部分では、第一の方向に交差する第二の方向に沿って、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換材料とが接続電極によって接続されてなる。本発明の熱電変換素子モジュールは、前記熱電変換素子群の表面に、熱電変換材料群の側部に達する接続電極層を形成し、この接続電極層を、第一の方向及び第二の方向に沿って熱電変換素子間で切断することによって製造される。
2013542579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを第一の方向に交互に配置してなる熱電変換素子列が複数並列に設けられる熱電変換素子群と；
前記熱電変換素子列のうち、最も外側の熱電変換素子列を構成するＰ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｐ型熱電変換素子に隣接するＮ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部とに配置され、前記一端面Ｐと前記一端面Ｎとを電気的に接続する第一の接続電極と；
前記熱電変換素子群におけるＰ型熱電変換素子の一端面とＮ型熱電変換素子の一端面とを、前記第一の方向と交差する第二の方向に電気的に接続する第二の接続電極と；
を有する熱電変換素子モジュール。
【請求項２】
前記Ｐ型熱電変換素子は、耐熱性絶縁材からなる管Ｐと、前記管Ｐの内部に充満するＰ型熱電変換材料とから構成され、
前記Ｎ型熱電変換素子は、耐熱性絶縁材からなる管Ｎと、前記管Ｎの内部に充満するＮ型熱電変換材料とから構成される、
請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項３】
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とは千鳥形状に配置される、請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項４】
前記熱電変換素子群は、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子が、前記第二の方向に沿って、Ｐ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｎ型の順で並ぶ配列を含む、請求項３に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項５】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを第一の方向に交互に配置してなる熱電変換素子列が複数並列に設けられる熱電変換素子群を用意する第一の工程と、
前記熱電変換素子群における前記Ｐ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｎ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部と、を覆う接続電極層を形成する第二の工程と、
前記接続電極層を、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、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って、切断する第三の工程と、
前記接続電極層を、前記第二の方向に沿って隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の組同士の間で、前記第一の方向に沿って、切断する第四の工程と、
を含む熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項６】
耐熱性絶縁材からなる管Ｐの内部にＰ型の熱電変換材料が充満された複数のＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎの内部にＮ型の熱電変換材料が充満された複数のＮ型変換素子と、を準備する工程をさらに含み、
前記第一の工程が、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａと、
前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子の周面と前記Ｎ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂと、
前記塗布された接着剤を介して、前記第一の熱電変換素子列の上に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを繰り返して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを積層してなる熱電変換素子群を得る工程Ｄと、
を含む、請求項５に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項７】
前記熱電変換素子群を、前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子を切断して複数の前記熱電変換素子群とする工程Ｅをさらに含む、請求項６に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項８】
第二の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子又は前記Ｎ型熱電変換素子は、前記第一の熱電変換素子列の上であって、かつ前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間に配置される、請求項６に記載の熱電変換素子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、熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、ペルチェ効果、あるいはゼーベック効果を利用した素子が用いられる。この熱電変換素子は、構造が簡単で、かつ取扱いが容易で安定な特性を維持できることから、近年、広範囲にわたる利用が注目されている。特に電子冷却素子として用いたとき、局所冷却および室温付近の精密な温度制御が可能であることから、オプトエレクトロニクス、半導体レーザなどの恒温化などに向けて広く研究が進められている。
【０００３】
前述のような電子冷却素子、或いは、熱電発電に用いる熱電モジュールは、図１１に示すように、Ｐ型熱電変換素子（Ｐ型半導体）５とＮ型熱電変換素子（Ｎ型半導体）６とを接続電極（金属電極）７を介して接続することでＰＮ素子対を形成し、このＰＮ素子対を複数個直列に配列して構成される。このとき、ＰＮ素子対を流れる電流の方向によって、Ｐ型熱電変換素子５及びｎ型熱電変換素子６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。図１１において、８、９は外部接続端子であり、１０はセラミック製の基板であり、Ｈは熱の流れる向きを示す矢印である。
【０００４】
この熱電変換素子の材料には、当該素子の利用温度域で、物質固有の定数であるゼーベック係数ａと比抵抗ｒと熱伝導率Ｋによって表わされる性能指数Ｚ（＝ａ２／ｒＫ）が大きな材料が用いられる。熱電変換素子として一般に用いられる結晶材は、Ｂｉ２Ｔｅ３系材料であるが、これら結晶は著しい劈開性を有しており、インゴットから熱電変換素子を得るためのスライシング、ダイシング工程等を経ると、割れや欠けのために歩留りが極めて低くなるという問題が生じることが知られている。
【０００５】
これを解決するために、所望の組成を有するように材料粉末を混合し、加熱溶融せしめる加熱工程と、菱面体構造（六方晶構造）を有する熱電変換材料の固溶体インゴットを形成する凝固工程と、固溶体インゴットを粉砕して固溶体粉末を形成する粉砕工程と、固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、粒径の均一となった固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程と、この粉末焼結体を熱間で塑性変形させて展延することで、粉末焼結組織の結晶粒が性能指数の優れた結晶方位に配向せしめる熱間すえこみ鍛造工程と、言った各工程を経て熱電変換素子モジュールを作製する方法が試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来の熱電変換素子モジュールの製造方法として、合金インゴットを製造する工程と、合金インゴットを酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の真空または不活性ガスの雰囲気で粉砕して、平均粉末粒径が０．１マイクロメータ（ｕｍ）以上１ｕｍ未満である原料粉末とする粉砕工程と、その原料粉末に圧力を加えながら抵抗加熱により前記原料粉末を焼結する焼結工程と、を含む製造方法が知られている。前記焼結工程では、パルス状の電流を流し、そのジュール熱により前記原料粉末を焼結し、１００ｋｇ／ｃｍ２以上１，０００ｋｇ／ｃｍ２以下（９．８ＭＰａ以上９８．１ＭＰａ以下）の圧力を焼結中に原料粉末に加える。この製造方法により、結晶粒径が微細で加工性に優れた熱電変換材料が製造される（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
また、従来の熱電変換素子モジュールとしては、例えば、複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とからなる熱電変換素子群と、前記熱電変換素子群を挟持する一対の基板と、前記基板の当該素子群側の表面に配置される、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを電気的に直列に接続する接続電極と、を有する熱電変換素子モジュールが知られている（例えば、特許文献３〜９参照。）。また、従来の熱電変換素子モジュールとしては、例えば、複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とからなる熱電変換素子群と、Ｐ型熱電変換素子の端面とそれに隣り合うＮ型熱電変換素子の端面とに接着され、両素子を電気的に接続する接続電極とを有する熱電変換素子モジュールが知られている（例えば、特許文献１０参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２６１１１９号公報
【特許文献２】特開２００３−２９８１２２号公報
【特許文献３】特開２００４−３２８０１３号公報
【特許文献４】米国特許第５９８２０１３号明細書
【特許文献５】特開２００２−３５９４０７号公報
【特許文献６】特開２００７−２２７５０８号公報
【特許文献７】米国特許出願公開第２００９／００３２０８０号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２００８／００２３０５７号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００８／０１６３９１６号明細書
【特許文献１０】特開２００６−９３３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、熱電変換素子モジュールは、高温側／低温側での温度差を必要とするため、温度差に起因する熱膨張の差により、熱電変換素子と接続電極とに熱応力が発生する。そのため、大きな電位差を得ようと温度差を高めると、熱電変換素子と接続電極との接合部分での応力が大きくなる。従来の熱電変換素子モジュールでは、接続電極が熱電変換素子とのみ接合している。従って前記応力に対する前記接合部分の信頼性が高くない。また、従来の熱電変換素子モジュールは、熱電変換素子を１つずつ個別に実装して作製されるため、熱電変換素子の高密度配列が困難となり、取り出せる出力が小さくなるという課題を有する。
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高密度配列が容易で接続信頼性の高く簡易に作製可能な熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子モジュール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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、下記の熱電変換素子モジュールを提供する。
［１］Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを第一の方向に交互に配置してなる熱電変換素子列が複数並列に設けられる熱電変換素子群と；
前記熱電変換素子列のうち、最も外側の熱電変換素子列を構成するＰ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｐ型熱電変換素子に隣接するＮ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部とに配置され、前記一端面Ｐと前記一端面Ｎとを電気的に接続する第一の接続電極と；
前記熱電変換素子群におけるＰ型熱電変換素子の一端面とＮ型熱電変換素子の一端面とを、前記第一の方向と交差する第二の方向に電気的に接続する第二の接続電極と；
を有する熱電変換素子モジュール。
［２］前記Ｐ型熱電変換素子は、耐熱性絶縁材からなる管Ｐと、前記管Ｐの内部に充満するＰ型熱電変換材料とから構成され、
前記Ｎ型熱電変換素子は、耐熱性絶縁材からなる管Ｎと、前記管Ｎの内部に充満するＮ型熱電変換材料とから構成される、前記［１］に記載の熱電変換素子モジュール。
［３］前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とは千鳥形状に配置される、前記［１］に記載の熱電変換素子モジュール。
［４］前記熱電変換素子群は、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子が、前記第二の方向に沿って、Ｐ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｎ型の順で並ぶ配列を含む、前記［３］に記載の熱電変換素子モジュール。
【００１２】
また、本発明は、下記の熱電変換素子モジュールの製造方法を提供する。
［５］Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを第一の方向に交互に配置してなる熱電変換素子列が複数並列に設けられる熱電変換素子群を用意する第一の工程と、
前記熱電変換素子群における前記Ｐ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｎ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部と、を覆う接続電極層を形成する第二の工程と、
前記接続電極層を、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、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って、切断する第三の工程と、
前記接続電極層を、前記第二の方向に沿って隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の組同士の間で、前記第一の方向に沿って、切断する第四の工程と、
を含む熱電変換素子モジュールの製造方法。
［６］耐熱性絶縁材からなる管Ｐの内部にＰ型の熱電変換材料が充満された複数のＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎの内部にＮ型の熱電変換材料が充満された複数のＮ型変換素子と、を準備する工程をさらに含み、
前記第一の工程が、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａと、
前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子の周面と前記Ｎ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂと、
前記塗布された接着剤を介して、前記第一の熱電変換素子列の上に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを繰り返して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを積層してなる熱電変換素子群を得る工程Ｄと、
を含む、前記［５］に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
［７］前記熱電変換素子群を、前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子を切断して複数の前記熱電変換素子群とする工程Ｅをさらに含む、前記［６］に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
［８］第二の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子又は前記Ｎ型熱電変換素子は、前記第一の熱電変換素子列の上であって、かつ前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間に配置される、前記［６］に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【００１３】
上記の製造方法によって、接続信頼性の高い熱電変換素子と高密度配列が容易な製造方法を容易に実現することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明の熱電変換素子モジュールおよび熱電変換素子モジュールの製造方法によれば、高密度配列が容易で接続信頼性が高く、簡易に作製可能な熱電変換素子が提供され、またそのような熱電変換素子モジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の熱電変換素子を示す図
【図２】本発明の熱電変換素子の製造工程の概略を示す図
【図３】本発明の熱電変換素子モジュールの配列を示す図
【図４】本発明の熱電変換素子モジュールの製造工程の概略を示す図
【図５】本発明の熱電変換素子モジュールにおける接続電極の形成方法を示す図（１）
【図６】本発明の熱電変換素子モジュールにおける接続電極の形成方法を示す図（２）
【図７】本発明の熱電変換素子の製造工程（変形例）の概略を示す図
【図８】本発明の熱電変換素子モジュールの一例を概略的に示す図
【図９】本発明の熱電変換素子モジュールの他の例を概略的に示す図
【図１０】本発明における熱電変換素子群の他の例を概略的に示す図
【図１１】従来の熱電変換素子モジュールを示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（熱電変換素子について）
図１は、本発明の実施の形態１における熱電変換素子１００を示す。図１（ａ）は熱電変換素子１００の側面図であり、図１（ｂ）は熱電変換素子１００の下面図である。図１において、１０１は熱電変換材料、１０２は耐熱性絶縁材からなる管である。熱電変換材料１０１は、管１０２の内周壁面に密着して管１０２内に充満している。例えば、熱電変換素子１００の全長Ｌは１．０〜３．０ｍｍであり、管１０２の内径ｄ１は１．８ｍｍであり、管１０２の外径ｄ２は３ｍｍである。
【００１８】
熱電変換材料１０１は、両端に温度差を生じさせると起電力が生じる材料である。熱電変換材料１０１は、使用時に生じる温度差に応じて選ぶことができる。熱電変換素子材料１０１としては、例えば、前記温度差が常温から５００Ｋまでであればビスマス−テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）が、前記温度差が常温から８００Ｋまでであれば鉛−テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ系）が、前記温度差が常温から１，０００Ｋまでであればシリコン−ゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ系）が挙げられる。
【００１９】
Ｐ型の熱電変換材料やＮ型の熱電変換材料は、例えば、前記の熱電変換材料に適当なドーパントを添加することによって得ることができる。Ｐ型の熱電変換材料を得るためのドーパントとしては、例えばＳｂが挙げられる。Ｎ型の熱電変換材料を得るためのドーパントとしては、例えばＳｅが挙げられる。これらのドーパントの添加によって熱電変換材料は混晶を形成する。したがって、これらのドーパントは、例えば「Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３」や「Ｂｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３」のような熱電変換材料の組成式で表される程度の量で、熱電変換材料に添加される。
【００２０】
管１０２は、耐熱性と絶縁性とを有する材料で形成された管である。管１０２は、熱電変換素子が使用される環境下の最高温度や、熱電変換材料の融点においても安定に形状を保つ耐熱性を有する。また管１０２は、熱電変換材料１０１の電流を遮断する絶縁性を有する。管１０２は、熱電変換素子モジュールにおいて熱電変換素子を高い密度で配列させる観点から、円管であることが好ましい。管１０２の材料としては、例えば、シリカ、アルミナ等の金属酸化物、耐熱ガラス、石英、が挙げられる。管１０２の材料は、耐熱性の観点によれば石英が好ましく、さらにコストを考慮すると耐熱ガラスが好ましい。
【００２１】
（熱電変換素子の製造方法について）
図１の熱電変換素子１００を作製する工程について、図２を参照して説明する。
【００２２】
まず、図２（ａ）のように、耐熱性絶縁材からなる管１０２０を準備する。管１０２０は、切断することによって管１０２になる。管１０２０の材料は、ガラス、特に耐熱ガラス（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を混合したホウケイ酸ガラスの一種で、熱膨張率は約３ｘ１０−６／Ｋ程度の材料）である。耐熱ガラスで一般に知られるのは、コーニング社製のパイレックス（登録商標）ガラスがある。管１０２０は、例えば全長が１５０ｍｍ、内径ｄ１が１．８ｍｍ、外径ｄ２が３ｍｍである。
【００２３】
次に、図２（ａ）の管１０２０の一端をバーナーで加熱し、燃焼させることで閉塞させる（図２（ｂ）破線部参照）。
【００２４】
その後、粉体化または微小チップ化された熱電変換材料１０１を、管１０２０の内部へ、管１０２０の閉塞された一端とは反対の他端（開口部）から充填する。熱電変換材料１０１は、予め組成調整を施した後、粉砕し、管１０２０の内空間に充填できる寸法に調整しておく。熱電変換材料１０１は、例えばＢｉ２Ｔｅ３系材料である。
【００２５】
熱電変換材料１０１は、図２（ｃ）に示すように、管１０２０の開口部に漏斗１０３を載置し、漏斗１０３に熱電変換材料１０１を投入し、管１０２０又は／及び漏斗１０３に微振動を加えることによって、管１０２０内へ充填される。熱電変換材料１０１は、例えば図２（ｃ）に示すように、管１０２０の長さのほぼ中央まで充填される。
【００２６】
そして、図２（ｄ）に示すように、管１０２０の開口部と真空ポンプ１０４とを接続し、管１０２０の内部を減圧した後、管１０２０の開口部をバーナーで加熱して軟化させることで閉塞する（図２（ｅ）の破線部参照）。その後、熱電変換材料１０１が充填された管１０２０を加熱炉（図示せず）内に収容する。このとき、管１０２０は立てた状態で加熱炉内に収容される。管１０２０は、例えば約７００セルシウス度、約３０分間の条件で保持される（図２（ｆ））。前記の条件下では、管１０２０内の熱電変換材料１０１は、融解して液状化し、管１０２０の下部へ沈降する。このように、熱電変換材料１０１が充填された管１０２０を加熱炉に収容することで、熱電変換材料１０１を管１０２０の内部（下部）に充満させることが可能となる。
【００２７】
なお、熱電変換材料１０１の融解後の体積は、融解前に比べて減少している。このため、管１０２０の内部において、熱電変換材料１０１が充填されていない空間がより大きくなる。そのため、管１０２０は、熱電変換材料１０１の融解前に、このような空間の変動に十分に対応できる大きさの空間であるバッファ部１０５を管内に有することが望ましい。管１０２０が適度なバッファ部１０５を有することは、管１０２０を昇温させた際、管１０２０自体が熱応力によって割れることを防ぐ効果をもたらす。
【００２８】
その後、加熱炉内で、或いは加熱炉内から管１０２０が取り出して、熱電変換材料１０１が充満した管１０２０を冷却する。次いで、図２（ｇ）のように、管１０２０の外側にヒータ１０６を配置し、ヒータ１０６を管１０２０の下方から上方に向けて一定の速度で移動させる。この操作によって、管１０２０を囲む加熱領域を一定速度で移動させ、熱電変換材料１０１の結晶方位を一方向に揃える。ヒータ１０６の移動速度は、２５〜３０ｍｍ／ｈ程度であると良い。
【００２９】
そして、図２（ｈ）に示すように、管１０２０の長手方向に対して垂直な方向から、ワイヤーソー１０７によって、管１０２０を、結晶方位を揃えた熱電変換材料１０１ごと切断する。こうして、管１０２と、管１０２の内部に充満する熱電変換材料１０１とから構成される熱電変換素子１００を得ることができる（図２（ｉ））。
【００３０】
以上のような熱電変換素子の製造工程により、管１０２の内壁面に密着するように熱電変換材料１０１を管１０２に充満させることができる。このため、熱電変換材料１０１を切断する際に問題となる「割れ」や「欠け」を抑制することが可能となる。よって、信頼性の高い熱電変換素子を提供することができる。また、個々の熱電変換素子１００を高密度に配列する際のスペーサとしての役割を、管１０２が果たす。このため、高密度配列が容易な熱電変換素子をも得ることが可能となる。
【００３１】
なお、本実施の形態では、１本の管１０２０に熱電変換材料を充填する形態を示したが、熱電変換材料が充満する複数の管１０２０が同時に作製されても良い。
【００３２】
また、上述の実施の形態では、管１０２０内に充填された熱電変換材料１０１を加熱炉にて加熱し（図２（ｆ））、その後、再び、ヒータ１０６で加熱する（図２（ｇ））工程を示した。管１０２０に熱電変換材料１０１を充填する方法は、例えば、図７に示すように、７００セルシウス度程度で溶融した熱電変換材料を貯蔵する、ヒータ５０３を有するタンク５０１に、管１０２０の一端を配置し（溶融した熱電変換材料内に漬け）、管１０２０の他端と接続された真空ポンプ５０２によって、該熱電変換材料を管１０２０内に吸い上げる方法でも良い。
【００３３】
この方法にて熱電変換材料１０１を管１０２０内に充満させると、該熱電変換材料が管１０２０内を移動する段階で、熱電変換材料１０１の結晶方位が一方向に揃う。このため、図７に示す方法は、図２（ｇ）に示す工程が削減できるという製造方法上の利点を有する。
【００３４】
（熱電変換素子モジュールについて）
図３は、本発明の実施の形態に係る熱電変換素子モジュール３００の模式図である。図３（Ａ）は熱電変換素子モジュール３００を上方から見た平面図である。図３（Ｂ）は、熱電変換素子モジュール３００を、図３（Ａ）中の矢印Ｙ方向から見た側面図である。
【００３５】
熱電変換素子モジュール３００は、前述した熱電変換素子１００を複数個集結させて熱電変換素子群を構成し、熱電変換素子１００同士を接続電極で電気的に接続したものである。
【００３６】
前記熱電変換素子群は、複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを有する。図３において、３０１はＰ型熱電変換材料、３０２はＮ型熱電変換材料である。Ｐ型熱電変換素子は、管１０２と管１０２に充満するＰ型熱電変換材料３０１とからなる。Ｎ型熱電変換素子は、管１０２と管１０２に充満するＮ型熱電変換材料３０２とからなる。前記熱電変換素子群は、複数の熱電変換素子列を並列に配置してなる。前記熱電変換素子列は、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子を第一の方向に沿って交互に配置してなる。図３（Ａ）において、矢印Ａが前記第一の方向を示している。図３に示す熱電変換素子群では、熱電変換素子が千鳥形状に配置されている。
【００３７】
図３において、３０３ａは接続電極である。接続電極３０３ａは、矢印Ａで示す方向に沿って、最も外側の前記熱電変換素子列の前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを、又は、前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを、熱電変換素子群の側部３０４を通って電気的に接続する。「最も外側の前記熱電変換素子列」とは、熱電変換素子列が並列する方向における両端の列であり、熱電変換素子群の側部３０４を構成する列である。熱電変換素子群の側部３０４は、例えば熱電変換素子群の側縁及び側面であり、接続電極が熱電変換素子群の側縁から突出する部分（例えば、図５の折曲部３０３ｃ及びつば部３０３ｆ）を含む。接続電極３０３ａは前記第一の接続電極に相当する。
【００３８】
図３において、３０３ｂは接続電極である。接続電極３０３ｂは、矢印Ａが示す方向に対して傾斜する矢印Ｂが示す方向に沿って、前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを、又は、前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを、電気的に接続する。接続電極３０３ｂは前記第二の接続電極に相当し、矢印Ｂが示す方向は前記第二の方向に相当する。
【００３９】
接続電極３０３ａは、矢印Ｂで示す方向に平行な一対の辺と、矢印Ａで示す方向に平行な一本の辺と、熱電変換素子群の側縁に沿う形状の線とで囲まれた形状を有する。接続電極３０３ｂは、矢印Ａで示す方向に平行な辺と、矢印Ｂで示す方向に平行な辺とからなる平行四辺形の形状を有する。
【００４０】
前記熱電変換素子の端面は、Ｐ型熱電変換材料３０１及びＮ型熱電変換材料３０２の端面と、それを囲む管１０２の端面で構成されている。接続電極３０３ａは、Ｐ型熱電変換材料３０１の端面又はＮ型熱電変換材料３０２の端面、それを囲む管１０２の端面、及び管１０２の側縁部、に接着する。接続電極３０３ｂは、Ｐ型熱電変換材料３０１の端面又はＮ型熱電変換材料３０２の端面、及びそれを囲む管１０２の端面に接着する。このように、接続電極３０３ａ、３０３ｂは、Ｐ型熱電変換材料３０１の端面やＮ型熱電変換材料３０２の端面のみならず、管１０２にも接着している。このため、熱電変換素子モジュールを例えば発電機として用いたときに、熱応力に対する信頼性がより向上する。これは、接触電極３０３ａ、３０３ｂが、高温部分と接触した際に、接触電極３０３ａ、３０３ｂで発生する熱応力を、従来の熱電変換素子よりも大きな面積で受けることができるためである。従来の熱電変換素子では、前述したように、接続電極は熱電変換材料の端面のみに接着している。
【００４１】
また、図３（Ａ）に示すように、熱電変換素子モジュール３００は、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子が、前記第二の方向に沿って、Ｐ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｎ型の順で並ぶ配列を含む。第一の方向（図３（Ａ）における矢印Ａ）には、Ｐ型熱電変換材料３０１とＮ型熱電変換材料３０２が交互に配列し、第二の方向（図３（Ａ）における矢印Ｂ）には、Ｐ−Ｐ−Ｎ−Ｎのように配列する。このため、前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の端面上で、接続電極３０３ａ、３０３ｂ（配線）を直線状に形成できる。このように、前記第二の方向に沿って、Ｐ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｎ型の順で前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが並ぶ配列を前記熱電変換素子群が含むことによって、接続電極３０３ａ、３０３ｂ（配線）の幅を大きくすることができ、内部抵抗による損失を抑制することができ、熱電変換素子モジュールの発電効率を高めることができる。
【００４２】
本実施の形態では、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが、第一の方向に沿って、「Ｐ−Ｎ−Ｐ−Ｎ−」と、交互に配置される形態を示しているが、本発明では、「交互に配置」とは、例えば「Ｐ−Ｐ−Ｎ−Ｎ−Ｐ−Ｐ−Ｎ−Ｎ−」や、「Ｐ−Ｐ−Ｐ−Ｎ−Ｎ−Ｎ−Ｐ−Ｐ−Ｐ−Ｎ−Ｎ−Ｎ−」のように、同数のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが、第一の方向に沿って、交互に配置される形態も含む。また、本発明では、第一の方向に沿う熱電変換素子列の一部に、同数のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが、第一の方向に沿って、交互に配置される形態も含む。複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子と交互に配置される場合では、複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを電気的に接続するように、前記接続電極が形成される。
【００４３】
なお、図３（Ａ）において、熱電変換素子間を結ぶ実線および点線の矢印は、熱電変換素子の一端面側／他端面側（以下、「熱電変換素子モジュール３００（又は熱電変換素子群）の上面／下面」とも言う）での電流の流れを示している。具体的には、前記実線の矢印は、熱電変換素子モジュール３００の上面における、隣り合う熱電変換素子同士の電流の流れを示し、前記点線の矢印は、熱電変換素子モジュール３００の下面における、隣り合う熱電変換素子同士の電流の流れを示す。
【００４４】
（熱電変換素子モジュールの製造方法について）
以下、図４を参照しながら、複数の熱電変換素子が千鳥形状に配置される場合の熱電変換素子モジュール３００の製造方法を説明する。この製造方法は、
熱電変換素子群を用意する第一の工程；
熱電変換素子群の上面及び下面の一方又は両方と熱電変換素子群の側部とを覆う接続電極層を形成する第二の工程；
接続電極層を、熱電変換素子群の上面及び下面のそれぞれにおけるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間で、第二の方向に沿って切断する第三の工程；及び、
接続電極層を、熱電変換素子群の上面及び下面のそれぞれにおける、第二の方向に沿って隣り合うＰ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子の組の間で、第一の方向に沿って切断する第四の工程；
を含む。
【００４５】
（第一の工程）
以下に、第一の工程を説明する。この第一の工程は、
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａ；
第一の熱電変換素子列におけるＰ型熱電変換素子の周面とＮ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂ；
塗布された前記接着剤を介して、第一の熱電変換素子列の上に、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃ；
工程Ｂと工程Ｃとを繰り返して、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との熱電変換素子群を得る工程Ｄ；及び、
熱電変換素子群を、Ｐ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子を横断する方向に沿って切断して熱電変換素子群を得る工程Ｅ；
を含む。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、まず、テフロン（登録商標）樹脂製の台４０１を準備する。また、管１０２０にＰ型熱電変換材料を充填したＰ型熱電変換素子１０２ｐと、管１０２０にＮ型熱電変換材料を充填したＮ型熱電変換素子１０２ｎを準備する。Ｐ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎは、図２を用いて説明した方法、又は図７を用いて説明した方法、によって準備される。
【００４７】
（工程Ａ）
次に、台４０１の表面に耐熱性接着剤４０２を塗布する（図４（ｂ））。その後、図４（ｃ）に示すように、台４０１の一端側にテフロン（登録商標）樹脂製の位置決め用ブロック４０３を配置する。Ｐ型熱電変換素子１０２ｐとＮ型熱電変換素子１０２ｎを台４０１の表面に、一方向に交互に、かつ互いに接触するように配置する。前記の「一方向」が前記第一の方向に相当する。こうして、台４０１上に、第一の熱電変換素子列４０４ａが形成される。
【００４８】
（工程Ｂ）
次いで、図４（ｄ）に示すように、第一の熱電変換素子列４０４ａの表面に耐熱性接着剤４０２を塗布する。耐熱性接着剤４０２は、実質的に第一の熱電変換素子列４０４ａの表面を覆うように塗布される。
【００４９】
（工程Ｃ）
次いで、Ｐ型熱電変換素子１０２ｐとＮ型熱電変換素子１０２ｎとを、第一の熱電変換素子列４０４ａの上に、前記第一の方向に沿って交互に配置する。こうして、第一の熱電変換素子列４０４ａの上に、第二の熱電変換素子列４０４ｂを形成する（図４（ｅ））。第二の熱電変換素子列４０４ｂにおけるＰ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎは、第一の熱電変換素子列４０４ａにおけるＰ型熱電変換素子１０２ｐとＮ型熱電変換素子１０２ｎとの間に配置される。
【００５０】
（工程Ｄ）
そして、熱電変換素子列の表面への耐熱性接着剤４０２の塗布と、接着剤が塗布された熱電変換素子列上へのさらなる熱電変換素子列の配置とを交互に繰り返すことで、熱電変換素子列を複数層積み上げる（図４（ｆ））。こうして、所定の数の熱電変換素子列を積み上げた後、耐熱性接着剤４０２を硬化させることで一体化させ、Ｐ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎからなる熱電変換素子群４０５を得る。
【００５１】
なお、図４は４層の熱電変換素子列を積み上げた熱電変換素子群４０５を示すが、通常はさらに多くの熱電変換素子列を積み上げる場合が多い。図４に示す熱電変換素子列の積み方では、Ｐ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎは千鳥形状に配置される。
【００５２】
（工程Ｅ）
次いで、位置決め用ブロック４０３を台４０１から外し、熱電変換素子群４０５を、Ｐ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎを横断する方向に沿って、例えばワイヤーソー４０７で所定の厚さに切断する（図４（ｇ））。ワイヤーソー４０７で切断する方向は、図４（ｇ）中の矢印Ｃで示すように、図４（ｇ）において紙面と平行な方向となる。そして、所定の厚さの複数の前記熱電変換素子群を得る。得られた熱電変換素子群は、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが第一の方向に沿って交互に配置してなる熱電変換素子列の複数が並列に配置してなる構造を有する。
【００５３】
こうして用意された前記熱電変換素子群に、接続電極３０３ａ、３０３ｂを形成して熱電変換素子モジュール３００を得る（図４（ｈ））。
【００５４】
次に、接続電極３０３ａ、３０３ｂの形成方法について詳述する。
【００５５】
（第二の工程）
まず、図５（１）に示すように、熱電変換素子群の表面（上面）に所定の厚さの、接続電極材料の層である接続電極層３０３ｄを形成する。接続電極の材料としては、例えば、銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛合金、及び銅合金が挙げられる。接続電極層３０３ｄは、例えばめっき、蒸着、スパッタリング、又は溶射によって形成することができる。接続電極層３０３ｄの厚さは、通常、１００ｎｍ〜３ｕｍである。なお、図６（Ａ）は、図５（１）における５Ａ−５Ａ断面を示し、図６（Ｂ）は図５（１）における５Ｂ−５Ｂ断面を示す。
【００５６】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に示すように、接続電極層３０３ｄは、熱電変換素子モジュール３００の周縁部において、熱電変換素子の長さ方向（下方）に折れ曲がる（図６（Ａ）及び図６（Ｂ）中の折曲部３０３ｃ）。このように、接続電極層３０３ｄは、熱電変換素子群の上面（又は下面）と前記熱電変換素子群の側部とを覆っている。
【００５７】
（第三の工程）
接続電極層３０３ｄを、熱電変換素子群の上面における熱電変換素子間で、前記第二の方向（図５（１）中の矢印Ｂに示す方向）に沿って切断する。接続電極層３０３ｄは、例えばエッチングによって切断することができる。また接続電極層３０３ｄは、例えばワイヤーソーやディスクブレードによって切断することができる。接続電極層３０３ｄは、図５（２）に示す形状となる。図５（２）中の隣り合う接続電極層３０３ｄは、熱電変換素子群の側部で、折曲部３０３ｃ（図６（Ｂ））によってつながっている。
【００５８】
なお、熱電変換素子モジュール３００の側部において、隣り合う接続電極層３０３ｄを電気的に接続させたくない箇所（例えば図５（２）中の切り欠き部Ｘ）には、マスクを介して接続電極層３０３ｄを熱電変換素子群の表面に形成する。このようにマスクを利用することによって、切り欠き部Ｘを所望の位置に形成することができる。また、切り欠き部Ｘを含む接続電極層３０３ｄを形成する方法としては、接続電極層３０３ｄを熱電変換素子群の表面に形成した後に、マスクを介してエッチングする方法、が挙げられる。
【００５９】
（第四の工程）
次に、図５（３）に示すように、接続電極層３０３ｄを、熱電変換素子群の上面における、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との組の間で、前記第一の方向（図５（３）中の矢印Ａで示す方向）に沿って切断する。この切断によって、熱電変換素子群の側部では、矢印Ａで示す方向に沿って、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが電気的に接続され、熱電変換素子群の他の部分では、矢印Ｂで示す方向に沿って、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが電気的に接続される。こうして、熱電変換素子群の上面に、所望の接続電極３０３ａ、３０３ｂを形成することができる。
【００６０】
なお、図示はしないが、熱電変換素子群の下面についても、前述したように、接続電極層３０３ｄを形成し、切断することによって、所望の接続電極３０３ａ、３０３ｂを形成することができる。こうして、熱電変換素子群の全てのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続される。
【００６１】
本実施の形態では特に、熱電変換素子群の表面に、例えばめっき等により形成される接続電極材料の層を用いる方法を説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、接続電極材料の層の代わりに接続電極部材３０３ｅを配置し、切断して、所望の接続電極３０３ａ、３０３ｂを形成してもよい。図６（Ｃ）は、接続電極部材３０３ｅを有する熱電変換素子群を、図５（１）におけるＢ−Ｂ線で切断したときの断面を示す図である。接続電極部材３０３ｅは、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、亜鉛合金、及び銅合金の板である。この場合には、図６（Ｃ）に示すように、接続電極部材３０３ｅの厚みｄ１に対し、接続電極部材３０３ｅのうち熱電変換素子群の側縁部から突出するつば部３０３ｆの突出長さｄ２を大きくする。つば部３０３ｆの一部を切断せずに残すことによって、熱電変換素子群の側部で隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを、つば部３０３ｆを介して電気的に接続することができる。
【００６２】
全面めっきのように、熱電変換素子群の全表面に接続電極材料の層を形成する場合には、熱電変換素子群の側面を覆う接続電極材料の層を、前記側面の中央部で除去する工程をさらに含んでもよい。熱電変換素子群の側面における接続電極材料の層の除去は、例えばエッチングによって行うことができる。
【００６３】
また、本実施の形態では、第三の工程の後に第四の工程を行う方法を説明したが、本発明は、第四の工程の後に第三の工程を行ってもよい。
【００６４】
以上のような熱電変換素子モジュールの製造工程により、熱電変換素子間に、接続電極が接着する耐熱性絶縁層が形成されるため、高温、低温の温度差で発生する熱応力を緩和することができる。そのため、熱応力に対する信頼性を向上させることが可能な、熱電変換素子モジュール構造を実現することができる。
【００６５】
前記熱電変換素子群は、前述のＰ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎに代えて、図１に示す構成を有するＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子を、Ｐ型熱電変換素子１０２ｐ及びＮ型熱電変換素子１０２ｎと同様に接着、積み重ねることによって製造することができる。このように、前記熱電変換素子群は、既に熱電変換素子として所望の長さを有する熱電変換素子を、切断することなく接着、積み重ねることによっても製造することができるが、図４に示す方法は、熱電変換素子モジュールの生産性を高める観点から好ましい。
【００６６】
熱電変換素子を千鳥形状に配置することは、熱電変換素子の配置密度を高める観点、熱電変換素子群の構造の安定性を高める観点、及び、熱電変換素子列を容易に積み重ねる観点から好ましい。本発明では、熱電変換素子を格子形状に配置してもよい。熱電変換素子の格子形状の配置を有する熱電変換素子群は、図４を用いて説明した熱電変換素子群の製造方法において、第一の熱電変換素子列におけるＰ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子の真上に、第二の熱電変換素子列におけるＰ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子を配置することによって形成することができる。
【００６７】
例えば、図８に示す格子配置の熱電変換素子モジュール７００は、前記熱電変換素子列が並列する方向（図８中の矢印Ｂで示す方向）に沿って、Ｐ型熱電変換素子７０１ｐとＮ型熱電変換素子７０１ｎとが交互に配置される。この熱電変換素子モジュール７００は、第一の方向（矢印Ａで示す方向）に対して直交する方向を第二の方向（矢印Ｂで示す方向）として接続電極７０３ａ、７０３ｂを形成することによって、前述の熱電変換素子モジュール３００と同様の方法で得ることができる。
【００６８】
また、図９に示す格子配置の熱電変換素子モジュール８００は、前記熱電変換素子列が並列する方向（図９中の矢印Ｐで示す方向）に沿って、Ｐ型熱電変換素子７０１ｐ又はＮ型熱電変換素子７０１ｎが整列する。この熱電変換素子モジュール８００は、第一の方向（矢印Ａで示す方向）に対して４５度の角度で傾斜する方向を第二の方向（矢印Ｂで示す方向）として接続電極８０３ａ、８０３ｂを形成することによって、前述の熱電変換素子モジュール３００と同様の方法で得ることができる。
【００６９】
さらに、図１０に示す熱電変換素子群９１０は、千鳥形状に配置されているＰ型熱電変換材料９０１ｐ及びＮ型熱電変換材料９０１ｎと、Ｐ型熱電変換材料９０１ｐ及びＮ型熱電変換材料９０１ｎの配置を固定する固定媒体９０２とを有する。Ｐ型熱電変換材料９０１ｐ及びＮ型熱電変換材料９０１ｎは、例えば熱電変換材料のインゴットのダイシングによって形成される。固定媒体９０２は、例えばシリコーン樹脂やエポキシ樹脂である。このような熱電変換素子群９１０も、本発明における前記熱電変換素子群に用いることができる。
【００７０】
本発明の熱電変換素子モジュールは、ＰＮ接合による熱電変換素子の直列回路に外部接続端子を接続し、必要に応じて電源を接続する。本発明の熱電変換素子モジュールは、外部接続端子の接続により、発電機に用いることができる。また本発明の熱電変換素子モジュールは、外部接続端子及び電源の接続により、前記電子冷却素子に用いることができる。前記発電機及び前記電子冷却素子において、本発明の熱電変換素子モジュールの複数を、電気的に直列又は並列に接続してもよい。
【００７１】
本出願は、２０１１年４月６日出願の特願２０１１−０８４２６７に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
以上のように、本発明によれば、熱電変換材料の高密度な配列が可能となり、接続信頼性の高い素子特性を有する熱電変換素子及び熱電変換素子モジュール並びにそれらの製造方法を得ることが可能になる。従って、本発明は、種々の技術分野で、熱を直接電気に変換することが必要になる場合に広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１００  熱電変換素子
１０１  熱電変換材料
１０２、１０２０  管
１０２ｎ、７０１ｎ、８０１ｎ、９０１ｎ  Ｎ型熱電変換素子
１０２ｐ、７０１ｐ、８０１ｐ、９０１ｐ  Ｐ型熱電変換素子
１０３  漏斗
１０４、５０２  真空ポンプ
１０５  バッファ部
１０６、５０３  ヒータ
１０７、４０７  ワイヤーソー
３００、７００、８００  熱電変換素子モジュール
３０１  Ｐ型熱電変換材料
３０２  Ｎ型熱電変換材料
３０３ａ、３０３ｂ、７０３ａ、７０３ｂ、８０３ａ、８０３ｂ  接続電極
３０３ｃ  折曲部
３０３ｄ  接続電極層
３０３ｅ  接続電極部材
３０３ｆ  つば部
３０４  熱電変換素子群の側部
４０１  台
４０２  耐熱性接着剤
４０３  位置決め用のブロック
４０４ａ  第一の熱電変換素子列
４０４ｂ  第二の熱電変換素子列
４０５、９１０  熱電変換素子群
５０１  タンク
９０２  固定媒体
Ａ  本発明における第一の方向を示す矢印
Ｂ  本発明における第二の方向を示す矢印
Ｃ  熱電変換素子群４０５を切断する方向を示す矢印
Ｈ  熱の流れの方向を示す矢印
Ｘ  切り欠き部
【図１】
2013542579.tif 000003
【図２】
2013542579.tif 000004
【図３】
2013542579.tif 000005
【図４】
2013542579.tif 000006
【図５】
2013542579.tif 000007
【図６】
2013542579.tif 000008
【図７】
2013542579.tif 000009
【図８】
2013542579.tif 000010
【図９】
2013542579.tif 000011
【図１０】
2013542579.tif 000012
【図１１】
2013542579.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月1日(2013.3.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、下記の熱電変換素子モジュールを提供する。
耐熱性絶縁材からなる管Ｐおよび前記管Ｐの内部に充満するＰ型熱電変換材料から構成されるＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎおよび前記管Ｎの内部に充満するＮ型熱電変換材料とから構成されるＮ型熱電変換素子とを、第一の方向に交互にかつ接触して配置してなる熱電変換素子列が複数並列に設けられる熱電変換素子群と；
前記熱電変換素子列のうち、最も外側の熱電変換素子列を構成するＰ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｐ型熱電変換素子に隣接するＮ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部とに配置され、前記一端面Ｐと前記一端面Ｎとを電気的に接続する第一の接続電極と；
前記熱電変換素子群におけるＰ型熱電変換素子の一端面とＮ型熱電変換素子の一端面とを、前記第一の方向と交差する第二の方向に電気的に接続する第二の接続電極と；
を有する熱電変換素子モジュール。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
また、本発明は、下記の熱電変換素子モジュールの製造方法を提供する。
耐熱性絶縁材からなる管Ｐの内部にＰ型の熱電変換材料が充満された複数のＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎの内部にＮ型の熱電変換材料が充満された複数のＮ型変換素子と、を準備する工程と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて、互いに隣接する前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接触している第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａと、
前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子の周面と前記Ｎ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂと、
前記塗布された接着剤を介して、前記第一の熱電変換素子列の上に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを繰り返して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを積層してなる熱電変換素子群を得る工程Ｄと、
前記熱電変換素子群における前記Ｐ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｎ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部と、を覆う接続電極層を形成する第二の工程と、
前記接続電極層を、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、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って、切断する第三の工程と、
前記接続電極層を、前記第二の方向に沿って隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の組同士の間で、前記第一の方向に沿って、切断する第四の工程と、
を含む、熱電変換素子モジュールの製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性絶縁材からなる管Ｐおよび前記管Ｐの内部に充満するＰ型熱電変換材料から構成されるＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎおよび前記管Ｎの内部に充満するＮ型熱電変換材料とから構成されるＮ型熱電変換素子とを、第一の方向に交互にかつ接触して配置してなる熱電変換素子列が複数並列に設けられる熱電変換素子群と；
前記熱電変換素子列のうち、最も外側の熱電変換素子列を構成するＰ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｐ型熱電変換素子に隣接するＮ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部とに配置され、前記一端面Ｐと前記一端面Ｎとを電気的に接続する第一の接続電極と；
前記熱電変換素子群におけるＰ型熱電変換素子の一端面とＮ型熱電変換素子の一端面とを、前記第一の方向と交差する第二の方向に電気的に接続する第二の接続電極と；
を有する熱電変換素子モジュール。
【請求項２】
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とは千鳥形状に配置される、請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項３】
前記熱電変換素子群は、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子が、前記第二の方向に沿って、Ｐ型−Ｐ型−Ｎ型−Ｎ型の順で並ぶ配列を含む、請求項２に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項４】
耐熱性絶縁材からなる管Ｐの内部にＰ型の熱電変換材料が充満された複数のＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎの内部にＮ型の熱電変換材料が充満された複数のＮ型変換素子と、を準備する工程と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて、互いに隣接する前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接触している第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａと、
前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子の周面と前記Ｎ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂと、
前記塗布された接着剤を介して、前記第一の熱電変換素子列の上に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを繰り返して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを積層してなる熱電変換素子群を得る工程Ｄと、
前記熱電変換素子群における前記Ｐ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｎ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部と、を覆う接続電極層を形成する第二の工程と、
前記接続電極層を、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、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って、切断する第三の工程と、
前記接続電極層を、前記第二の方向に沿って隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の組同士の間で、前記第一の方向に沿って、切断する第四の工程と、
を含む、熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項５】
前記熱電変換素子群を、前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子を切断して複数の前記熱電変換素子群とする工程Ｅをさらに含む、請求項４に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項６】
第二の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子又は前記Ｎ型熱電変換素子は、前記第一の熱電変換素子列の上であって、かつ前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間に配置される、請求項４に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成25年8月21日(2013.8.21)
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子モジュールの製造方法に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、高密度配列が容易で接続信頼性の高く簡易に作製可能な熱電変換素子モジュールの製造方法を提供することを目的とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、下記の熱電変換素子モジュールの製造方法を提供する。
耐熱性絶縁材からなる管Ｐの内部にＰ型の熱電変換材料が充満された複数のＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎの内部にＮ型の熱電変換材料が充満された複数のＮ型変換素子と、を準備する工程と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて、互いに隣接する前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接触している第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａと、
前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子の周面と前記Ｎ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂと、
前記塗布された接着剤を介して、前記第一の熱電変換素子列の上に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを繰り返して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを積層してなる熱電変換素子群を得る工程Ｄと、
前記熱電変換素子群における前記Ｐ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｎ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部と、を覆う接続電極層を形成する第二の工程と、
前記接続電極層を、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、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って、切断する第三の工程と、
前記接続電極層を、前記第二の方向に沿って隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の組同士の間で、前記第一の方向に沿って、切断する第四の工程と、
を含む、熱電変換素子モジュールの製造方法。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
以上のように、本発明の熱電変換素子モジュールの製造方法によれば、高密度配列が容易で接続信頼性が高く、簡易に作製可能な熱電変換素子が提供され、またそのような熱電変換素子モジュールを製造することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性絶縁材からなる管Ｐの内部にＰ型の熱電変換材料が充満された複数のＰ型熱電変換素子と、耐熱性絶縁材からなる管Ｎの内部にＮ型の熱電変換材料が充満された複数のＮ型変換素子と、を準備する工程と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて、互いに隣接する前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが接触している第一の熱電変換素子列を形成する工程Ａと、
前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子の周面と前記Ｎ型熱電変換素子の周面に接着剤を塗布する工程Ｂと、
前記塗布された接着剤を介して、前記第一の熱電変換素子列の上に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを第一の方向に沿って並列かつ交互に並べて第二の熱電変換素子列を形成する工程Ｃと、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを繰り返して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを積層してなる熱電変換素子群を得る工程Ｄと、
前記熱電変換素子群における前記Ｐ型熱電変換素子の一端面Ｐとその側部と、前記Ｎ型熱電変換素子の一端面Ｎとその側部と、を覆う接続電極層を形成する第二の工程と、
前記接続電極層を、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、前記第一の方向と交差する第二の方向に沿って、切断する第三の工程と、
前記接続電極層を、前記第二の方向に沿って隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子の組同士の間で、前記第一の方向に沿って、切断する第四の工程と、
を含む、熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記熱電変換素子群を、前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子を切断して複数の前記熱電変換素子群とする工程Ｅをさらに含む、請求項１に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【請求項３】
第二の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子又は前記Ｎ型熱電変換素子は、前記第一の熱電変換素子列の上であって、かつ前記第一の熱電変換素子列における前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子との間に配置される、請求項１に記載の熱電変換素子モジュールの製造方法。
【国際調査報告】
2013542579.tif 000014
2013542579.tif 000015
2013542579.tif 000016