(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子が接合される多数の接合電極が所要のパターンで配列されているとともに接合電極が隣接する接合電極に電気的に接続されている電極プレートと、熱電素子とからなり、２枚の電極プレート間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが接合電極に接合されて電気的に交互に接続された熱電モジュールの製造方法であって、
熱電素子が接合される接合電極を多数備えた１枚の導電性金属板からなるとともに、所要のパターンで配列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続用ブリッジと切除対象である機械的接続専用ブリッジとのうちの少なくとも一方によって接続されて全接合電極が上記ブリッジによって一体となっている金属パターンプレートを上記電極プレートとして用いて、
一方の電極プレート上に、複数の接合電極に跨がるＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を取り付けた後、各熱電素子材を切断して各接合電極上の熱電素子相互間を切り離すと同時に上記機械的接続専用ブリッジを切断し、この後、予め機械的接続専用ブリッジを切断した他方の電極プレートを熱電素子に取り付けることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
【請求項２】
金属パターンプレートとして熱応力吸収部を備えたものを用いることを特徴とする請求項１記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項３】
電極プレートとして機械的接続専用ブリッジが基板から浮かされたものを用いていることを特徴とする請求項１または２記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項４】
電極プレートとして電気的接続専用ブリッジが接合電極よりも厚みが薄く且つ基板側に偏位したものを用いていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数の熱電素子を熱的に並列に接続した熱電モジュールの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電モジュールにおいては、一対の電極プレート間に複数個の熱電素子（ペルチェ素子）を並置配設するとともに各電極プレートに設けた接合電極に熱電素子を接合することで各熱電素子を電気的に直列に且つＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とを交互に接続するとともに、これら熱電素子が熱的には並列になるように接続配置して、通電時に一方の電極プレートを吸熱側、他方の電極プレートを放熱側として作用させる。
【０００３】
この時の各熱電素子の接合電極への接合は、各熱電素子を電極プレート上の各接合電極上に置いて行っていた。この場合、多数のＰ型とＮ型との熱電素子を配置を間違えることなく各接合電極上に正確に載せて接合しなくてはならず、製造が困難であるとともに歩留まりが非常に悪い。
このために特開昭５８−６４０７５号公報においては、棒状の熱電素子材を用いてＰ型の熱電素子材とＮ型の熱電素子材とを交互に並べてその間を耐熱絶縁物質で固着して板状とし、その上下面を電気的に直列となるように蒸着等でメタライズし、さらにメタライズされた面上に銅板等を半田などで溶着し、棒状方向と直角をなす方向に切断することが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、個々の熱電素子の位置決めを考えずにすむためにこの点で製造が容易ではあるが、切断後も熱電素子間に残る耐熱絶縁物質が吸熱部と放熱部との熱的短絡を招いて性能を低下させてしまうために良好な性能を得ることができないという大きな問題点を有している。また銅板の半田付け精度や切断後の銅板の平面性等の管理が困難である。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑み為されたものであり、その目的とするところは製造が容易であるとともに良好な性能を得ることができる熱電モジュールの製造方法を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、熱電素子が接合される多数の接合電極が所要のパターンで配列されているとともに接合電極が隣接する接合電極に電気的に接続されている電極プレートと、熱電素子とからなり、２枚の電極プレート間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが接合電極に接合されて電気的に交互に接続された熱電モジュールの製造方法であって、熱電素子が接合される接合電極を多数備えた１枚の導電性金属板からなるとともに、所要のパターンで配列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続用ブリッジと切除対象である機械的接続専用ブリッジとのうちの少なくとも一方によって接続されて全接合電極が上記ブリッジによって一体となっている金属パターンプレートを上記電極プレートとして用いて、一方の電極プレート上に、複数の接合電極に跨がるＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を取り付けた後、各熱電素子材を切断して各接合電極上の熱電素子相互間を切り離すと同時に上記機械的接続専用ブリッジを切断し、この後、予め機械的接続専用ブリッジを切断した他方の電極プレートを熱電素子に取り付けることに特徴を有している。電極プレートの接合電極に熱電素子材を接合することで熱電素子材を所要の間隔で整列させ、この状態で熱電素子材の切断を行うと同時に機械的接続専用ブリッジの切断も行うのである。
【０００８】
この時、金属パターンプレートとして熱応力吸収部を備えたものを用いることが好まし、また、電極プレートとして機械的接続専用ブリッジが基板から浮かされたものや、電気的接続専用ブリッジが接合電極よりも厚みが薄く且つ基板側に偏位したものを用いることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図１〜図４に示す熱電モジュールＭは、ペルチェ素子である熱電素子１を一対の電極プレート２，２間に多数配置するとともに、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを電極プレート２，２の対向面に夫々設けた接合電極３０によって交互に接続することで、全熱電素子１を電気的に直列に且つ熱的に並列に接続したもので、電極プレート２における接合電極３０と熱電素子１とで構成される上記直列回路の両端は、各電極プレート２の対向面に形成されているとともに外部接続用の端子部３６，３６を介してリード線３８，３８に接続されている。また上記両電極プレート２，２間には筒状のシール枠４も配されており、両端が電極プレート２，２に接合されるとともに上記の全熱電素子１の配置部を囲んでいるシール枠４と電極プレート２，２とによって、熱電素子１の配置空間が密閉されている。
【００１３】
ここにおいて、上記熱電素子１は、図１から明らかなように、格子状に整列配置されているのであるが、図１における列（縦方向）においては、図２に示すようにＰ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とが交互に並び、図１における行（横方向）においては図３に示すように、Ｎ型の熱電素子１のみが、あるいはＰ型の熱電素子１のみが並ぶようにその配置が定められている。
【００１４】
Ｐ型熱電素子１及びＮ型熱電素子１の配置をこのようにしているのは、次に述べる製造法から明らかなように、各熱電素子１の接合電極３０への接合を個々に行うのではなく、棒状のＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を夫々複数の接合電極３０に跨がるものとして取り付けた後、棒状の熱電素子材を切断して各接合電極３０上の熱電素子１に切り離しているからである。
【００１５】
上記熱電モジュールＭの製造法について説明する。まず電極プレート２から説明すると、ここで用いている電極プレート２には、接合電極３０を有する金属パターンプレート３をセラミック系の基板２０の表面に接合したものを用いている。図４〜図７にセラミック系基板２０への接合前の金属パターンプレート３を示す。接合電極３０は各行（横方向）において機械的接続専用ブリッジ３２によって相互に接続されており、各列（縦方向）において一つおきに電気的接続用ブリッジ３１によって接続されるとともに隣接する行においては電気的接続用ブリッジ３１の位置がずらされて略格子状のパターンを有するものとなっている。なお、熱電素子１の電気的な接続パターンの関係で、図中上下両端の行では接合電極３０が間引かれている上に、電気的接続用ブリッジ３１が横方向にも延びるものとなっている。
【００１６】
ここで上記両ブリッジ３１，３２は、図８に示すようにその厚みが接合電極３０部分の厚みの半分以下とされており、しかも機械的接続専用ブリッジ３２は接合電極３０における熱電素子１が接合される表面側に、電気的接続用ブリッジ３１は背面側に設けられており、また接合電極３０表面と機械的接続専用ブリッジ３２表面とが面一に、接合電極３０裏面と電気的接続用ブリッジ３１裏面とが面一に形成されている。さらに機械的接続専用ブリッジ３２は上述のように厚みが薄くなっていることに加えて、孔３３または溝が設けられることでその断面積が小さくされている。
【００１７】
上記電気的接続用ブリッジ３１は、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを交互に接続するためのものであるのに対して、機械的接続専用ブリッジ３２は、基板２０への接合前の状態での各接合電極３０の位置を保つためのものであって熱電素子１間の電気的接続には関与しておらず、基板２０に接合されることで各接合電極３０の位置が基板２０によって保たれるようになった後は不要な存在であり、従って機械的接続専用ブリッジ３２は金属パターンプレート３の基板２０への接合後には切除してしまうものである。ただし、この切除は基板２０の接合後に直ちに行うのではなく、後述するように上記熱電素子材の切断時に同時に行うようにしている。
【００１８】
さらに金属パターンプレート３は、電気的接続用ブリッジ３１及び機械的接続専用ブリッジ３２によって一体につながっている全接合電極３０を囲む外周電極３５を一体に備えるとともに、この外周電極３５の外側に前記外部接続用の端子部３６と、センサー接続用端子部３７とを一体に備えたものとなっている。そして一つおきの行の左右両端に位置する接合電極３０，３０と外周電極３５との間が細幅の機械的接続専用ブリッジ３２によって接続され、また一角にある接合電極３０が電気的接続用ブリッジ３１と外周電極３５とを介して端子部３６に接続されている。
【００１９】
なお、機械的接続専用ブリッジ３２で接合電極３０同士が前述のように横方向に連結されているのであるが、上下両端の行を除く他の行においては、左右方向中央部において機械的接続専用ブリッジ３２による接続は行わず、複数のブロックに区画している。これは機械的接続専用ブリッジ３２に孔３３を設けて断面積を小さくしているのと同様に、基板２０への接合時における熱応力吸収をして反りを防ぐためである。また銅あるいは銅合金のような導電性金属板からなる金属パターンプレート３は、全接合電極３０の高さを揃えて熱電素子１の接合を隙間なく行うことができるようにするために一枚の金属板に対するエッチング処理で図に示す形態のものにされており、両ブリッジ３１，３２も金属板に対する表裏からのハーフエッチングで形成しているが、他の加工法、たとえば加熱による軟化状態でのプレス加工や打ち抜き、表裏の打ち抜きパターンを脱酸素状態で加熱加圧して一体化するなどによって形成されたものであってもよい。いずれにしても酸化防止のためのＮｉめっきや、半田ぬれ性向上のためのＳｎ，Ａｕめっきを設けておくとよい。
【００２０】
そして上記金属パターンプレート３は図９に示すようにアルミナやベリリアなどの絶縁性を有するとともに熱伝導性能の良いセラミック系の基板２０の表面に接合固定されて電極プレート２が構成される。この時、各接合電極３０の裏面や電気的接続用ブリッジ３１の裏面、外周電極３５の裏面、端子部３６，３７の裏面が基板２０に接触接合され、機械的接続専用ブリッジ３２は基板２０の表面から浮いた状態となる。
【００２１】
上記接合には基板２０がアルミナであり且つ金属パターンプレート３が銅板である場合、ＤＢＣ法と称されている共晶を形成することによる接合方法を好適に用いることができる。接合時に金属パターンプレート３が１０００℃以上の高温になることから硬度が低下し、熱電素子１を柔らかく支持することになるために熱電素子１への応力緩和の効果を期待することができるからである。ちなみに通常１％程度の歪みで使用されるので、この時の銅の応力は焼純前の１／２近くに低減しており、これは実用上ヤング率が１／２の材料で支持することにほぼ等しい。なお、上記のような温度となるために金属パターンプレート３と基板２０との熱膨張率の差が接合後に基板２０に反りを生じさせてしまうことになるが、前述の応力緩和部の存在がこの反りを低減させている。金属パターンプレート３と基板２０との接合はＤＢＣ法に限定するものではなく、ろう付けなどによって接合してもよい。
【００２２】
次いで一方の電極プレート２の接合電極３０に棒状のＰ型熱電素子材１ａと棒状のＮ型熱電素子材１ｂとを接合する。この時、接合電極３０の各行に図１０に示すように両熱電素子材１ａ，１ｂを交互に接合する。接合には半田付けが好適であり、このために熱電素子材１ａ，１ｂにおける接合面にはめっきや蒸着によって電極を形成しておくことが好ましい。
【００２３】
図１１は上記両熱電素子材１ａ，１ｂの接合に際して用いる治具９を示しており、両種熱電素子材１ａ，１ｂを接合電極３０のピッチと同じピッチではめ込むことができる長孔９３ａ，９３ｂを備えた第１プレート９１と、倍のピッチで長孔９４が設けられた第２プレート９２とで構成されて第１プレート９１上に第２プレート９２が重ねられている。第１プレート９１の長孔９３ａと第２プレート９２の長孔９４とを重ねた状態でＰ型の熱電素子材１ｂを長孔９４を通じて長孔９３ａ内に収めた後、第２プレート９２をスライドさせて長孔９４を長孔９３ｂに重ね、この状態でＮ型の熱電素子材１ｂを長孔９３ｂに収めるのである。このようにすることで両種熱電素子材１ａ，１ｂを接合電極３０の間隔に合致した的確なピッチで配置することができる上に、Ｐ型熱電素子材１ａとＮ型熱電素子材１ｂとの配列を間違えることを避けることができる。誤用の排除に関しては、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの両端面に異なるマークを付けて区別しておくことも好ましい。
【００２４】
治具９の使用に代えて、熱電素子材１ａ，１ｂを交互に所要の間隔で並べたものを絶縁材によって一体化させることで板状のものを形成しておき、これを一方の電極プレート２の接合電極３０上に接合した後、切断を行うようにしてもよい。この場合、絶縁材が熱電素子材１ａ，１ｂの間を全て埋めていると切断後も絶縁材が残ることになり、残った絶縁材による熱漏洩が問題となりやすくなることから、図１２に示すように、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの両端部分でこれらを絶縁材１４が一体化しているものを用いて、切断後には絶縁材１４が外されてしまうものを用いるとよい。
【００２５】
また熱電素子材１ａ，１ｂには、図１３にも示すように、その幅Ｘが接合電極３０の幅Ｙと同じかやや小さいものを用いる。熱電素子１で発生する熱量を接合電極３０を通じて基板２０側に確実に逃がすことができるようにすることで性能低下を避けるためであり、もし熱電素子１の幅Ｘの方が接合電極Ｙの幅よりも大きい場合には、熱電素子１における接合電極３０に接していない部分で熱疲労が生じて素子破壊が生じてしまうからである。
【００２６】
なお、熱電素子材１ａと熱電素子材１ｂとは同じ幅でなくともよい。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１の材料特性を完全に合わせることはできないので、両熱電素子材１ａ，１ｂの幅を変えることが最も効率のよい状態を得ることについての有効な方策となるからである。両熱電素子材１ａ，１ｂの高さが異なっていてもよい。この場合は接合電極３０の高さを行によって変えることで応じることができる。
【００２７】
ところで熱電素子材１ａ，１ｂには劈開面１０が存在するが、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの切り出しに際して、図１４(a)または図１４(b)に示すように、
劈開面１０が熱電素子材１ａ，１ｂの短手方向と交差するように切り出すものとする。後述する熱電素子材１ａ，１ｂの切断に際して、切断線Ｃが劈開面１０と一致することがないようにしておくわけである。熱電素子１は脆性材料であり、劈開面１０と平行に切断すると、欠けたりクラックが発生する虞れが非常に高く、歩留まりの低下を招くからである。なお、図１４に示す２つのものを比較した場合、図１４(b)に示すように、熱電素子材１ａ，１ｂの長手方向に劈開面１０が走るものが好ましい。この点については後述する。図中１１は接合電極３０への接合のために設けた電極部である。
【００２８】
一方の基板２０への熱電素子材１ａ，１ｂの接合装着が完了すれば、次いで棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの切断を行う。この切断はたとえば図１５及び図１６に示すように、砥石（ダイシング・ソウ）１５を用いて行う。ここで示した実施の形態のものにおいては、熱電素子材１ａ，１ｂの各切断部が直線状に並ぶように接合電極３０の配置パターンを決めており、全熱電素子材１ａ，１ｂをまとめて直線状に切断すれば、各接合電極３０上に熱電素子１を個々に分離された状態で残るようにしていることから、切断も容易であり、また図示例のように、複数の砥石１５で必要箇所をまとめて切断することで切断作業に要する時間の短縮も図ることができる。棒状の熱電素子材１ａ，１ｂを接合した後に切断することは、各熱電素子１の劈開面を揃えることができることにもなり、耐久性のばらつきを少なくすることができる。
【００２９】
また、ここでは熱電素子材１ａ，１ｂの切断にあたり、図１６からも明らかなように、機械的接続専用ブリッジ３２の切断も同時に行うようにしている。つまり熱電素子材１ａ，１ｂの切断をその切断箇所の下方に位置している機械的接続専用ブリッジ３２ごと切断することで行うのである。機械的接続専用ブリッジ３２は基板２０から浮いた状態にあるために、また外周電極３５や電気的接続用ブリッジ３１はその厚みが薄くて基板２０側に寄っているために、砥石１５が基板２０に接してしまう状態を招いたり外周電極３５や両端の行の電気的接続用ブリッジ３１まで切断したりしてしまう状態を招くことなく上記の切断を行うことができる。
【００３０】
なお、両端の行では、前述のように接合電極３０が間引かれている上に、他の行では接合電極３０が位置する部分が厚みの薄い電気的接続用ブリッジ３１の存在部分となっているために、上記切断によって接合電極３０上にのみ熱電素子１が残り、熱電素子材１ａの電気的接続用ブリッジ３１の上方にあった部分は取り除かれることになる。
【００３１】
図１７にこうして切断作業を行った後の状態を、図１８に切除部分をハッチングで示したものを示す。接合電極３０の図中左右方向は、一端の行の中央部の接合電極３０，３０間が電気的接続用ブリッジ３１でつながっているだけで、完全に分離されており、また外周電極３５との接続も端子部３６との接続のための電気的接続用ブリッジ３１でつながっただけとなる。なお上記切断に際しては、端子部３６と端子部３７との間の切り離しや外周電極３５と端子部３７との切り離しもなされる。また、端子部３６，３７に設けた電気的接続用ブリッジ３１、つまり金属パターンプレート３の裏面側に寄った厚みの薄い部分は、接合電極３０部分とほぼ同じ厚みに形成された端子部３６，３７に砥石１５の通過部を形成するために設けたものであり、このために接合電極３０を接続している機械的接続専用ブリッジ３２と同じ並びで設けてある。したがって切断線の目安ともなっている。
【００３２】
熱電素子材１ａ，１ｂの接合の後、図１９に示すように、まず熱電素子材１ａ，１ｂのみを切断し、次いで機械的接続専用ブリッジ３２の切断を行うようにしてもよい。この場合、熱電素子材１ａ，１ｂの切断と機械的接続専用ブリッジ３２の切断に夫々適した切断部材を用いることができ、また幅の異なる切断部材を用いることで熱電素子１の幅と接合電極１の幅とを夫々好ましい値に設定することができる。
【００３３】
図２０に示すように、電極プレート２の金属パターンプレート３における機械的接続専用ブリッジ３２の切断を予め行っておき、その後に熱電素子材１ａ，１ｂの接合とその切断を行ってもよい。この場合も熱電素子材１ａ，１ｂの切断を機械的接続専用ブリッジ３２の切断負荷が加わらない状態で行うことができて、熱電素子材１ａ，１ｂの切断を的確に行うことができる。もちろん切断作業の手間の点においては、熱電素子材１ａ，１ｂの切断時に機械的接続専用ブリッジ３２も同時に切断することが最も好ましい。
【００３４】
切断線が直線となるように接合電極３０の配置と電気的接続用ブリッジ３１による電気的接続のパターンを決定しているものを示したが、回路パターンは後述のように各種設定が可能である上に切断線が直線となるようにしなくてはならないものではない。しかし切断線が直線となるようにしておくことが切断作業性の点で最も優れたものとなる上に、複数の切断線を同時に切断して切断に要する時間の削減を図ることにも容易に応ずることができることになる。砥石１５に代えてレーザーや高圧水ジェット等を用いて切断を行ってもよい。
【００３５】
他方の電極プレート２については、上記電極プレート２の金属パターンプレート３と同一のものを基板２０に接合して、その機械的接続専用ブリッジ３２の切断を行っておく。図２１にこの切断を行った後の電極プレート２を示す。切断箇所は上記一方の電極プレート３で切断したところと同じである。
切断が完了すれば、図２２に示すように、矩形筒状のシール枠４の接合取付を一方の電極プレート２に対して行った後、上記他方の電極プレート２を被せて他方の電極プレート２側の接合電極３０と熱電素子１との接合及びシール枠４と他方の電極プレート２との接合を行う。シール枠４は前述のように熱電素子１の配置部分を密封するためのもので、両端開口縁が各電極プレート２，２の金属パターンプレート３，３における閉ループとなった外周電極３５部分に機械的及び電気的に接合されることで、電極プレート２，２と併せて全熱電素子１の配置空間を密閉する。閉ループとなった外周電極３５部分に接合することと、端子部３６を外周電極３５を介して引き出していることから、熱電素子１までの電源路を上記密封状態を維持しつつ確保することができるものである。外周電極３５の内側に配する場合、外周電極３５から内側に伸びた機械的接続専用ブリッジ３２の切断残りの部分についてはシール枠４の該当部分に溝を設けてこれを避ける。
【００３６】
ここでシール枠４と外周電極３５との接合は、図２４に示すように非金属製シール枠４における外周電極３５との接合に供する両端開口縁の部分に予め銅、ニッケル、錫等の金属膜４４をメッキや溶射などにより形成しておき、そして外周電極３５に半田付け４８やろう付けで接合している。これは長期的に見れば水分の侵入を許しやすい接着剤の使用を避けて防湿性を高めるためである。なお、各外周電極３５が端子部３６に接続されている関係上、上記金属膜４４は両端開口縁に個々に設けて電気的に接続されないようにしておく。またシール枠４は外周電極３５の内側で電極プレート２に直接接する部分を有する図２３及び図２４に示すような断面形状のものとしておくことで、電極プレート２，２間の間隔を規制することができるものとしておくことが好ましい。この場合、半田付けやろう付け部分を見ることができるためにその良否の判別が容易である。金属膜４４を設けていない部分や半田疲労時のクラックからの湿気侵入防止については接着剤４９の塗布の併用が好ましい。なお、ここにおけるシール枠４は電極プレート２，２の対向方向における荷重を担うものともなっている。
【００３７】
他方の電極プレート２側の接合電極３０と熱電素子１との接合は、シール枠４と他方の電極プレート２との接合と同時に行うことになるが、これは次の点においても好ましいものとなる。すなわちシール枠４によって両電極プレート２，２間の間隔を規制すると熱電素子１の高さのばらつきは半田付けの半田の厚さで調節されることになるとともに、電極プレート２にかかる荷重はシール枠４の剛性と熱電素子１の剛性とにより分担されることになり、熱電素子１にかかる荷重を低減することができるからである。もっともシール枠４の剛性をあげるためにシール枠４の厚さをあげると熱漏洩も増えることになるから、これを避けるために強度の必要部位のみを厚くすることが重要であり、図２５に示すような四隅の肉厚を厚くしたものや中央部に耐荷重向上のための柱４０を設けたものはこの点において効果的である。
【００３８】
さて、このように構成された熱電モジュールは、全熱電素子１が両電極プレート２，２の金属パターンプレート３における接合電極３０と電気的接続用ブリッジ３１とによって電気的に直列に接続されるものであり、またＰ型熱電素子１とＮ型熱電素子１との組が熱的に並列に接続され、一方の電極プレート２側の端子部３６と他方の電極プレート２側の端子部３６とを通じて電源に接続される。
【００３９】
ここで上端の行と下端の行とで熱電素子１を間引いた状態としているのは、両電極プレート２，２で同一の金属パターンプレート３を用いることができるようにすると同時に、Ｐ型熱電素子１同士あるいはＮ型熱電素子１同士が連続して接続されることを避けるためである。もっとも一端の行の中央部においては、２つのＰ型熱電素子１，１を連続して接続している。このような同型熱電素子１の連続は若干の効率低下を招くのであるが、敢えてこのようにしているのは接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数としたものにおいて、上記のように同一の金属パターンプレート３を両電極プレート２，２で用いることができるようにするためと、前述の熱応力緩和のために金属パターンプレート３を左右二つのブロックに分けることをできるようにするためである。衝撃荷重の点からは全く間引かないようにしてもよい。
【００４０】
接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数としているのは、両端の行に同じ型の熱電素子１を配置するためである。両端の行では前述のように熱電素子材の一部を取り除くことになるが、同じ型のものであるために取り除いたもののリサイクルについての対応が容易となる。そして奇数行とする場合、両端の行にはＰ型の熱電素子１を配置するとよい。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを比較した場合、Ｐ型のものの方が特性が良くて管理しやすく、コストも安い。従ってＮ型熱電素子材１ｂをＰ型熱電素子材１ａよりも１本少なくできることと、上述のように両端の行においては棒状の熱電素子材１ａを使用するにもかかわらず、熱電素子１を間引いて配置するために切除部分が多くなることから、両端の行にＰ型のものを配置するとよい。
【００４１】
電極プレート２としては、セラミック系の基板２０を有するものや上記金属パターンプレート３を有するものに限定するものではない。図４〜図７に示した金属パターンプレート３を用いるとしても、接合電極３０間の空隙を射出成形や注型などによって熱特性が良好である絶縁性樹脂２５で埋めた図２６及び図２７に示すものを電極プレート２として用いることができる。この場合、金属パターンプレート３の表面を一旦酸化させた状態で絶縁製樹脂２５の成形を行い、その後、金属パターンプレート３の熱電素子材１ａ，１ｂが接合される面の酸化膜の除去とＮｉ処理を行うとよい。シール枠４を一体に形成しておくこともできる。
【００４２】
このタイプの電極プレート２は、その裏面を接合電極３０の裏面と面一とするか凹面としておくことで、接合電極３０や電気的接続用ブリッジ３１や外周電極３５の裏面を直接放熱部材や吸熱部材に接触させることができるためにセラミック系のものに比して放熱特性が良好であり、このために放熱側に用いると好適な結果を得ることができる。もちろん吸熱側に用いてもよく、このタイプの２枚の電極プレート２，２と熱電素子１とで熱電モジュールＭを構成してもよい。
【００４３】
金属パターンプレート２の表側については、接合電極３０の表面より絶縁性樹脂２５が少し高くなるようにしてもよい。半田付け時の異電極とのショートを防ぐことができる。なお、図２６及び図２７に示した電極プレート２を用いる場合、棒状熱電素子材１ａ，１ｂ及び金属パターンプレート３の機械的接続専用ブリッジ３２の切断は、絶縁性樹脂２５も同時に切削することで行う。
【００４４】
また上記タイプの金属パターンプレート３では、その表裏において絶縁性樹脂２５の金属パターンプレート３に対する比率がほぼ同じとなるようにしておくことが反りの防止の点で好ましく、また金属パターンプレート３との化学結合性を有するとともに熱膨張係数が金属パターンプレート３に近似した材質のものが好ましい。水蒸気の透過を防ぐことができるとともに隙間が生じにくくなるからである。さらには金属パターンプレート３よりも十分に低いヤング率の材質であることが好ましい。これらの条件を満足するものとしては、金属パターンプレート３が銅または銅合金であるならば、エポキシ樹脂、特にＳｉＯ2 を添加したものが好適である。
【００４５】
２枚の電極プレート２，２の接合電極３０，３０による熱電素子１，１の接続の回路パターン例を図２８及び図２９に示す。図２８(a)は上記の金属パターンプレート３を用いた場合の回路パターンを示している。図から明らかなように、端子部３６の配置も含めて各種のパターンを構成することができる。図３０に示すようなパターンも可能である。なお図３０中の２本線による接続は一方の電極プレート２による接続を、１本線による接続は他方の電極プレート２による接続を示している。
【００４６】
Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ−Ｓｅを主成分とする熱電素子１の接合電極３０への接合は前述のように半田付けで行っているが、熱電素子１側の接合面に図３１に示すようにＭｏ層１７及びＮｉ層１８をバリア層として設けて電極１１とすることが拡散防止の点で好ましい。また図３１に示すものでは、Ｎｉ層１８の上に更にＳｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ａｕの中から選択した材料からなる層、たとえばＳｎ＋Ｂｉ層１９を設けている。この層１９はＮｉ層１８の酸化防止と半田付け性を良くするためである。なおＮｉ層１８は１μ以上の厚みとし、Ｍｏ層１７はこれより薄くしておくことが望ましい。たとえばＭｏ層１７を０．２μｍ、Ｎｉ層１８を２μｍ、Ｓｎ＋Ｂｉ層１９を２μｍとする。
【００４７】
ところで熱電素子１には前述のように劈開面１０が存在しているわけであるが、熱電素子１における劈開面１０は、熱電モジュールに通電して片面で吸熱を、片面で放熱を行う時の両面での熱の差によって生じる伸縮方向に劈開面１０が並ぶようにすることが最も好ましい。つまり図３２(a)に示すものとするのである。熱電モジュールにはＰ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１との接続方向である図中矢印で示す方向に伸縮が生じるわけであるが、この方向に劈開面１０が並んでいると、熱電素子１は劈開面１０における微小なずれによって上記伸縮による応力を吸収してしまうからである。この結果、伸縮による変位の許容範囲が大きくなり、応力による熱電素子１の破壊を避けることができる。
【００４８】
そしてこのように劈開面１０が並ぶようにすることを、本発明にかかる熱電モジュールでは簡単に得ることができる。すなわち、棒状の熱電素子材１ａ，１ｂを用いてこれを電気的接続用ブリッジ３１による電気的接続方向と直交する方向に並べて切断していることから、熱電素子材１ａ，１ｂとして図１２(b)に示したように劈開面が長手方向に走るものを用いると同時に、劈開面１０と直角な面、図１２(b)では上下の面に接合電極３０への接合のための電極１１を設けることで、図３２(a)に示すものを得ることができる。ちなみに図３２(b)に示すような劈開面１０の並びであると上記伸縮による応力を受けた時に壊れやすく、また図３２(c)に示すような劈開面１０の並びであると性能がでないものとなる。
【００４９】
さらに上記の例では、熱電素子材１ａ，１ｂとして接合電極３０の行の並びの全長にわたるものを用いていたが、図３３に示すように、１行について複数本の熱電素子材１ａ，１ｂを用いるようにしてもよい。熱電素子材１ａ，１ｂとして長さの短いものを用いることができるために熱電素子材１ａ，１ｂの材料利用効率が高くなる上に、接合電極３０への接合後の電極プレート２の反りによる熱電素子材１ａ，１ｂへのストレスを低減させることができる。
【００５０】
金属パターンプレート３における接合電極３０と外周電極３５とを接続する電気的接続用ブリッジ３１は、複数設けておいてもよい。異なる接合電極３０が外周電極３５に電気的接続用ブリッジ３１によって接続されているようにしておくのである。もちろん最終的にはいずれかの電気的接続用ブリッジ３１によっていずれかの接合電極３１のみが外周電極３５に接続されるように、他の電気的接続用ブリッジ３１は切除してしまうのであるが、どの電気的接続用ブリッジ３１を残すかによって、同じ金属パターンプレート３を用いても、熱電素子１の実装数の異なるもの、つまり熱電モジュールの性能の異なるものを選択して得ることができる。
【００５１】
もっとも、電気的接続用ブリッジ３１による接合電極３０と外周電極３５との接続箇所が増えると、基板２０への接合の際に反りを生じさせやすくなることから、図４〜図７に示した金属パターンプレート３においては、いくつかの接合電極３０から外周電極３５に向けて延長片を延出しており、どの延長片を外周電極３５に接続するかによって外周電極３５を通じて端子部３６に接続する接合電極３０（回路パターンの一端となる接合電極３０）を選択することができるようにしてある。
【００５２】
上記のような熱電モジュールＭは、図３４あるいは図３５に示すように、片側の電極プレート２の外面に吸熱部材５、他側の電極プレート２の外面に放熱部材６が取り付けられて実用に供される。この時、電極プレート２と吸熱部材５または放熱部材６との間の熱的結合のために、吸熱部材５と放熱部材６とで熱電モジュールＭを挟持して熱的結合面に所要の荷重を加えるのであるが、図に示すようなコイルばねや皿ばねのようなばね７によって上記荷重を加えることが好ましい。図中７０は吸熱部材５と放熱部材６とを連結するビスであり、ばね７はビス７０の頭部とこのビス７０が挿通される部材５との間に配されている。ビス７０，７１には熱伝導率の低い材質のものが用いられる。
【００５３】
図３６により具体的な吸熱部材５及び放熱部材６を示す。放熱部材６は多数の放熱フィン６０を有している。図中７１は両部材５，６間の連結用であり且つこのブロックの取付用を兼ねたビスである。吸熱部材５及び放熱部材６の熱電モジュールＭとの接触面の面積を熱電モジュールＭの表面積より小さくしているが、これは熱漏れを低減するためである。
【００５４】
吸熱部材５及び放熱部材６には熱伝導率が高くて加工が容易であるアルミニウムやその合金を用いており、その表面には腐食防止や絶縁のためにアルマイト層が設けられている。アルミニウムに炭素繊維を入れたものや銅合金などで形成してもよい。吸熱部材５の表面は冷却対象となる部材への取付面とするためにビス７０，７１の頭部はこの面より突出しないようにしてある。
【００５５】
ここにおいて、熱電モジュールＭと吸熱部材５との接触面及び熱電モジュールＭと放熱部材６との接触面には通常数μｍの厚みとなるシリコングリースを介在させることで熱抵抗を低減させるのであるが、この熱抵抗は荷重が大きくなるにつれて低下し、図３７に示すように１０００〜１５００Ｎの荷重でほぼ安定する。図中ΔＴは電極間温度差である。一方、熱電素子１そのものは図３８に示すように荷重が増大すれば耐久性が低下するものであり、また電極間温度差ΔＴを高くするにつれてこの温度差によって生じるところの剪断力が作用するために耐久性が低下する。接触熱抵抗を低減して性能を上げるには取付荷重を大きくすればよいのであるが、民生用として使用されている熱電素子１では、取付荷重を上げると信頼性が低下してしまうわけである。
上記特性から、一般に取付荷重はほぼ１０００Ｎを最適荷重としてこの最適荷重となるように取り付けを行っているのであるが、ビス７０の締付力によってこの値に取付荷重を設定することは困難である。しかし、上述のようにばね７によって取付荷重を設定していることから、最適荷重への設定が容易となっている。しかも、ここで用いている熱電モジュールＭは、シール枠４が取付荷重を分担することによって熱電素子１にかかる荷重を低減していることから、シール枠４の荷重分担比を１／２としているならば、熱抵抗の軽減して性能を向上させるために取付荷重を１０００〜１７００Ｎにセットしても、熱電素子１にかかる荷重は５００〜８５０Ｎとなり、高い耐久性を得ることができる。図３９にシール枠４がある場合Ａと無い場合Ｂとにおける熱電素子１の変形量と取付荷重との関係（シール枠４の荷重分担比は１／２）を示す。
【００５６】
熱電素子１にかかる取付荷重を更に軽減するために、図４０に示すように、シール枠４の外周に更に荷重分担用の枠４６を設けるようにしてもよい。図４１は外周電極３５の外側に更に上記の枠４６の固定のための環状金属部３９を設けたものを示している。枠４６の固定はシール枠４の場合と同じとすればよいが、接着材による固定であってもよい。
【００５７】
更にここで用いた熱電モジュールＭは、熱電素子１が接合される接合電極３０が厚みのある銅または銅合金で形成されていて、熱電素子１そのものにかかる剪断応力を低減させているために、さらに高い耐久性を発揮するものとなっている。なお、剪断応力の低減は接合電極３０と熱電素子１とを接合している半田などによっても軽減を図ることができるが管理は困難である。しかし、このものにおいては接合電極３０の高さで管理することができるために、所要の性能を確実に発揮させることができる。図４２に示すように、接合電極３０の表面に１本乃至複数本の溝３３を設けて剛性を低下させておけば、剪断応力の軽減をより図ることができることになる。図中の矢印は図３２(a)で示した矢印と同じく、伸縮方向を示しており、溝３３はこの伸縮による剪断応力の軽減に有効な方向に切削形成する。
【００５８】
図４３はシール枠４の他例を示している。ここにおけるシール枠４は、熱電素子１間の電気的絶縁を保つための薄板片４７を一体に備えている。熱電素子１の一方の面と一方の電極プレート２の接合電極３０との接合は、図４３(b)に示す状態に熱電素子１間を薄板片４７が区画した状態で行われることから、接合のための半田による短絡の防止を図ることができ、熱電モジュールの生産の歩留まり向上に有効である。
【００５９】
熱電モジュールＭを多段に構成することにも対応することができる。図４４に示すものは、基板２０の上下両面に金属パターンプレート３を接合したものを中央の電極プレート２として用いるとともに、この電極プレート２の上下面に熱電素子材１ａ，１ｂを接合して切断を行い、他の２枚の電極プレート２，２を中央の電極プレート２の上下に重ねるのである。熱電素子材１ａ，１ｂの接合は、上下の電極プレート２の金属パターンプレート３の接合電極３０に対して行い、熱電素子材１ａ，１ｂの切断の後、上下両面に金属パターンプレート３，３が接合された中央の電極プレート２を間にして接合するようにしてもよいのはもちろんである。なお、吸熱側となる方は、熱電素子１の数を少なくすることから、ここでも中央の基板２０下面と下方の基板２０の上面とに接合する図４〜図７に示したものと同じ金属パターンプレート３のほぼ半分の大きさの金属パターンプレート３を上方の基板２０の下面と中央の基板２０の上面とに接合している。
【００６０】
接合電極３０を有する電極プレート２として、接合電極３０を備えた金属パターンプレート３を基板２０に接合したものや、金属パターンプレート３の隙間に絶縁性樹脂２５を埋め込んだものを示したが、上記金属パターンプレート３を用いないもの、たとえば接合電極３０の電極パターンが設けられたプリント基板なども電極プレート２として用いることができる。ここにおける電極パターンはエッチングのほか、基板２０表面に金属溶射を行うことで形成したものであってもよい。このような電極プレート２を用いる場合、前記機械的接続専用ブリッジ３２は不要である。もっとも接合電極３０の厚みを十分にとることが困難であり、接合電極３０の厚みと柔らかさとを利用して熱電素子１への通電時に生ずる熱応力の緩和を図ることは難しくなる。
【００６１】
また、接合電極３０を備えた金属パターンプレート３を基板２０に接合したものや金属パターンプレート３の隙間に絶縁性樹脂２５を充填したものを電極プレート２とする場合、基板２０や絶縁性樹脂と吸熱・放熱部材５，６とを一体として電極プレート２が吸熱・放熱部材５，６を兼ねるようにしてもよい。つまりは吸熱部材５や放熱部材６に金属パターンプレート３が接合されたものとするのである。部品点数の削減を図ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明に係る製造方法によって得られる熱電モジュールは、熱電素子は電極プレートの複数の接合電極に跨がって取り付けられた熱電素子材の切断で各接合電極上に配されたものであるために、各熱電素子に特性の揃ったものを用いることができる上に、熱漏洩の原因となるような絶縁物質が熱電素子間にないために良好な性能を得ることができる。
【００６３】
そして上記製造方法で製造するために、すなわち複数の接合電極が所要の配列で設けられた電極プレート上に、複数の接合電極に跨がる熱電素子材を取り付けた後、熱電素子材を切断して各接合電極上の熱電素子相互間を切り離し、この後、複数の接合電極が所要の配列で設けられた他の電極プレートを熱電素子の他面側に取り付けるものであり、複数の接合電極に跨がる熱電素子材を用いるために個々の熱電素子の整列位置決めが不要であって製造が容易なものであり、しかも電極プレートの接合電極に熱電素子材を接合することで熱電素子材を所要の間隔で整列させ、この状態で熱電素子材の切断を行うために、前記従来例のような熱漏洩（熱的短絡）の原因となる耐熱絶縁物質が熱電素子間に残るようなことなく製造することができて、良好な性能のものを簡単に且つ確実に得ることができる。また熱電素子が接合されるとともに熱電素子間の電気的接続を担う接合電極は電極プレートに設けられたものであるから、精度や平面性等の管理が容易なものである。
【００６４】
そして熱電素子が接合される接合電極を多数備えた１枚の導電性金属板からなり、所要のパターンで配列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続用ブリッジと切除対象である機械的接続専用ブリッジとのうちの少なくとも一方によって接続されて全接合電極が上記ブリッジによって一体となっている金属パターンプレートを電極プレートとして用いることから、接合電極の位置精度を更に高くすることができる上にその取り扱いも容易となるために、より性能の高いものをより簡便に得ることができる。
しかも金属パターンプレートにおける機械的接続専用ブリッジは、熱電素子材の切断時に同時に切断するために、切断作業の手間を削減することができる。
さらに金属パターンプレートとして熱応力吸収部を備えたものを用いたならば、熱電素子材の接合時の熱や熱電素子への通電時の吸熱側と放熱側との温度差などによる熱応力で熱電素子が破壊される虞れを低減させることができて歩留まりの向上と耐久性とを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す破断平面図である。
【図２】同上の縦断面図である。
【図３】同上の横断面図である。
【図４】同上に用いる金属パターンプレートの平面図である。
【図５】同上に用いる金属パターンプレートの斜視図である。
【図６】同上に用いる金属パターンプレートの背面図である。
【図７】同上に用いる金属パターンプレートの背面側を示す斜視図である。
【図８】同上に用いる金属パターンプレートの断面を示しており、(a)は横断面図、(b)は縦断面図である。
【図９】同上に用いる電極プレートの加工前状態を示す斜視図である。
【図１０】同上に用いる電極プレートの熱電素子材の接合後の斜視図である。
【図１１】同上の熱電素子材の配設に用いる治具の断面図である。
【図１２】同上の熱電素子材の他例の斜視図である。
【図１３】同上の接合電極と熱電素子材との断面図である。
【図１４】  (a)(b)は同上に用いる熱電素子材の劈開面を示す斜視図である。
【図１５】同上の熱電素子材の切断を示す斜視図である。
【図１６】同上の熱電素子材の切断を示す断面図である。
【図１７】同上の熱電素子材の切断後の状態を示す斜視図である。
【図１８】同上の熱電素子材の切断部分を示す平面図である。
【図１９】同上の切断の他例を示すもので、(a)(b)は共に断面図である。
【図２０】同上の切断のさらに他例を示すもので、(a)(b)は共に断面図である。
【図２１】他方の電極プレートの斜視図である。
【図２２】同上のシール枠の取付状態を示す斜視図である。
【図２３】同上のシール枠を示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図２４】同上のシール枠の固定部分を示す拡大断面図である。
【図２５】同上のシール枠の他例を示す斜視図である。
【図２６】他の電極プレートの斜視図である。
【図２７】同上の電極プレートの背面側を示す斜視図である。
【図２８】  (a)〜(f)は回路パターン例の説明図である。
【図２９】  (a)〜(f)は回路パターン例の説明図である。
【図３０】別の回路パターンの説明図である。
【図３１】同上の熱電素子材の断面図である。
【図３２】同上の熱電素子の劈開面の方向例を示すもので、(a)(b)(c)は各々斜視図である。
【図３３】電極プレートへの熱電素子材の接合の他例を示す斜視図である。
【図３４】吸熱部材及び放熱部材の装着例を示す断面図である。
【図３５】吸熱部材及び放熱部材の他の装着例を示す断面図である。
【図３６】吸熱部材及び放熱部材の別の装着例を示す断面図である。
【図３７】熱電素子の特性を示す説明図である。
【図３８】熱電素子の他の特性を示す説明図である。
【図３９】シール枠の有無による熱電モジュールの特性を示す説明図である。
【図４０】実施の形態の他例を示す縦断面図である。
【図４１】同上の電極プレートの斜視図である。
【図４２】接合電極の他例を示すもので、(a)は断面図、(b)は斜視図である。
【図４３】シール枠の別の例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。
【図４４】多段モジュールとする場合の分解斜視図である。
【符号の説明】
Ｍ  熱電モジュール
１  熱電素子
２  電極プレート
３０  接合電極
３１  電気的接続用ブリッジ
３２  機械的接続専用ブリッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003956405.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003956405.tif 000006
【図６】
0003956405.tif 000007
【図７】
0003956405.tif 000008
【図８】
0003956405.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003956405.tif 000011
【図１１】
0003956405.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0003956405.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0003956405.tif 000016
【図１６】
0003956405.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0003956405.tif 000019
【図１９】
0003956405.tif 000020
【図２０】
0003956405.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0003956405.tif 000025
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
0003956405.tif 000032
【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
0003956405.tif 000036
【図３６】
0003956405.tif 000037
【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
0003956405.tif 000041
【図４１】
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【図４２】
0003956405.tif 000043
【図４３】
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【図４４】
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