(57)【要約】【課題】熱電変換モジュールの信頼性を向上させる。【解決手段】Ｐ型およびＮ型半導体の複数の熱電変換素子（Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子１３）が電気的に接続された熱電変換モジュール１００であり、上記複数の熱電変換素子のそれぞれは電極で接続されており、上記複数の熱電変換素子は直列に接続されている。さらに、熱電変換モジュール１００の外周部（周縁部）もしくはコーナ部に位置する熱電変換素子の一部はＰ型もしくはＮ型の上記複数の熱電変換素子が並列に接続されており、並列に接続された上記複数の熱電変換素子の上記電極との接続面積の総和は、上記外周部（周縁部）およびコーナ部以外に配置された１つの熱電変換素子の電極との接続面積以上である。【選択図】図２
2017143101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極が配置された絶縁基板と、
前記絶縁基板上に配置されたＰ型の熱電素子と、
前記絶縁基板上に配置されたＮ型の熱電素子と、
を有し、
前記電極には、前記Ｐ型または前記Ｎ型のうち何れか一方の熱電素子が複数接続され、かつ前記Ｐ型または前記Ｎ型のうち何れか他方の熱電素子が接続され、
前記複数接続された前記一方の熱電素子の前記電極との接続面積の総和は、前記他方の熱電素子の前記電極との接続面積以上である、熱電変換モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子は、前記絶縁基板の素子配置面の周縁部に設けられている、熱電変換モジュール。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子は、前記絶縁基板の前記素子配置面の前記周縁部の角部に設けられている、熱電変換モジュール。
【請求項４】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子は、前記熱電素子の配列の中で、前記絶縁基板の素子配置面における中心から最も遠い位置に設けられている、熱電変換モジュール。
【請求項５】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子のそれぞれは、前記絶縁基板の素子配置面の中心から対角線に沿って最も遠い位置に設けられている、熱電変換モジュール。
【請求項６】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子のそれぞれの前記電極との接続面積は、前記他方の熱電素子の前記電極との接続面積より小さい、熱電変換モジュール。
【請求項７】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子のそれぞれの高さは、前記他方の熱電素子の高さより高い、熱電変換モジュール。
【請求項８】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子のそれぞれの前記電極との接続面積の大きさの種類は、複数種類である、熱電変換モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数接続された前記一方の熱電素子のそれぞれの前記電極との接続面積の大きさは、前記絶縁基板の素子配置面の中心に近い位置に設けられた前記熱電素子の接続面積の方が、前記絶縁基板の前記素子配置面の中心から遠い位置に設けられた前記熱電素子の接続面積より大きい、熱電変換モジュール。
【請求項１０】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記Ｐ型の熱電素子と、前記Ｎ型の熱電素子と、の接続は直列であり、
前記複数接続された前記一方の熱電素子は、前記電極に並列に接続されている、熱電変換モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記並列に接続されている複数の前記熱電素子のそれぞれの前記電極との接続面積は、前記直列に接続されている前記熱電素子の前記電極との接続面積より小さい、熱電変換モジュール。
【請求項１２】
請求項１０に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記並列に接続されている複数の前記熱電素子のそれぞれの前記電極との接続面積の総和は、前記直列に接続されている前記熱電素子の前記電極との接続面積以上である、熱電変換モジュール。
【請求項１３】
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記絶縁基板には複数の前記電極が配置され、
前記複数の電極の平面視の大きさは、互いに同じである、熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を電気に変換する熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱を電気に変換するモジュール技術として、特開２００２−１１１０８０号公報（特許文献１）がある。この公報には、「同じ特性の熱電素子を２個接合している接合電極の面積は、同じ特性の熱電素子はそれぞれ１個のみしか接合していない接合電極の面積より大きくしている。そのため、熱応力が集中する配列パターンの角部及び回路パターンの折返し部において、２個の熱電素子による荷重分担ができると共に、接合電極と熱電素子の接合面積が増大している。」熱電変換モジュールが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１１１０８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、例えば溶鉱炉、焼却炉などの工業炉の配管または自動車の排気管に取り付けて、その廃熱温度を利用する熱電変換モジュールが開発されている。対象となる廃熱温度は、２００〜９００℃程度の高温であり、熱電変換モジュールの性能を最大限に発揮するためには、熱源体の熱を効率よく熱電変換モジュールに伝える必要がある。
【０００５】
熱電変換モジュールは、モジュールに含まれる熱電変換素子の表裏面の温度差を電気に変換するため、稼動時、熱電変換素子には熱電変換素子と電極の線膨張係数差により応力が発生する。
【０００６】
さらにモジュールサイズが大きくなると、モジュール全体の熱膨張の影響でモジュールの外周部近傍の熱電変換素子への応力が高くなり、素子破断が発生する可能性が高くなる。このため、熱電変換モジュールの信頼性を向上させるためには応力が発生しやすいモジュール外周部の断線を防止することが重要である。
【０００７】
本発明の目的は、熱電変換モジュールの信頼性を向上させる技術を提供することにある。
【０００８】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１０】
本発明に係る熱電変換モジュールは、電極が配置された絶縁基板と、上記絶縁基板上に配置されたＰ型の熱電素子と、上記絶縁基板上に配置されたＮ型の熱電素子と、を有し、上記電極には、上記Ｐ型または上記Ｎ型のうち何れか一方の熱電素子が複数接続され、かつ上記Ｐ型または上記Ｎ型のうち何れか他方の熱電素子が接続されている。
【００１１】
さらに、上記複数接続された上記一方の熱電素子の上記電極との接続面積の総和は、上記他方の熱電素子の上記電極との接続面積以上である。
【発明の効果】
【００１２】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１３】
熱電変換モジュールの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１による熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す熱電変換モジュールの素子レイアウトの一例を示す平面透過図である。
【図３】図１に示す熱電変換モジュールのコーナ部近傍における素子接合部構造の一例を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の変形例の熱電変換モジュールの素子レイアウトを示す平面透過図である。
【図５】本発明の実施の形態２による熱電変換モジュールの素子レイアウトの一例を示す平面透過図である。
【図６】図５に示す熱電変換モジュールのコーナ部近傍における素子接合部構造の一例を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態３による熱電変換モジュールのコーナ部近傍における素子接合部構造の一例を示す側面図である。
【図８】本発明の実施の形態３の変形例の熱電変換モジュールの素子レイアウトを示す平面透過図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００１６】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１７】
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００１８】
また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１９】
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図、図２は図１に示す熱電変換モジュールの素子レイアウトの一例を示す平面透過図、図３は図１に示す熱電変換モジュールのコーナ部近傍における素子接合部構造の一例を示す側面図、図４は本発明の実施の形態１の変形例の熱電変換モジュールの素子レイアウトを示す平面透過図である。
【００２１】
図１に示す本実施の形態１による熱電変換モジュール１００は、Ｐ型半導体からなる熱電変換素子（以降、Ｐ型熱電変換素子と言う）３およびＮ型半導体からなる熱電変換素子（以降、Ｎ型熱電変換素子と言う）４の各々の上下面に温度差を与えることによって電子が移動して電流を発生するゼーベック効果を利用している。熱電変換モジュール１００は、この電子の移動により、熱を電気に変換する機能を有している。以降、熱電変換素子のことを単に熱電素子とも言う。
【００２２】
Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを交互に接続することによって、電気的な回路が形成される。このように接続したＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを平面状（格子状）、ライン状または筒状などに配置することにより熱電変換モジュール１００は構成される。
【００２３】
さらに、熱電変換モジュール１００の構成を、図１、図２および図３を用いて詳しく説明する。図１は上面を高温に、下面を低温にした場合の熱電変換モジュール１００の斜視図である。熱電変換モジュール１００は、複数の電極が配置された絶縁基板６と、絶縁基板６上に配置された複数のＰ型熱電変換素子３と、絶縁基板６上に配置された複数のＮ型熱電変換素子４と、を有している。さらに、複数の電極の何れかには、Ｐ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４のうちの何れか一方の熱電素子が複数接続され、かつＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４のうちの何れか他方の熱電素子が接続されている。
【００２４】
なお、各Ｐ型熱電変換素子３は、高温側電極１と低温側電極２によりＮ型熱電変換素子４に接続されている。簡略化のため図１には、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４と、高温側電極１および低温側電極２との接合材料は図示していない。そして、低温側電極２は絶縁基板６に接続されている。すなわち、絶縁基板６の素子配置面（上面）６ａに複数の低温側電極２が配置されている。そして、複数の電極（低温側電極２）のそれぞれの平面視の大きさは、同じである。
【００２５】
また、高温側と低温側の温度差により発電した電気は、引き出し配線５によって取り出す。図１に示すように、絶縁基板６の素子配置面（上面）６ａの周縁部におけるコーナ部（角部）のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４は、複数個の素子が並列で接続されている。
【００２６】
図２は、熱電変換モジュール１００の素子レイアウトを示す平面透過図であり、図１の熱電変換モジュール１００を高温側電極１側から見た場合の高温側電極１を透過させた図である。また、図３は熱電変換モジュール１００の素子接合部構造のコーナ部近傍を示す側面図である。図３の左端の端部がコーナ部である。図３に示すように、コーナ部に配置されたコーナ部熱電変換素子１２には、高温側の上面に高温側接合材１１を挟んで高温側電極１０が接続され、一方、低温側の下面に低温側接合材１５を挟んで低温側電極１４が接続されている。低温側電極１４は、さらに低温側絶縁板（絶縁基板６）１６に接続されている。
【００２７】
このように、図１に示すように、Ｐ型熱電変換素子３の上面とＮ型熱電変換素子４の上面とに亘って配置された高温側電極１、およびＰ型熱電変換素子３の下面とＮ型熱電変換素子４の下面とに亘って配置された低温側電極２によって、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とは交互に直列に接続されている。すなわち、高温側電極１および低温側電極２を電気導通経路として、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ている。言い換えると、複数のＰ型熱電変換素子３と複数のＮ型熱電変換素子４とが、交互に一筆書き（一続き）のように直列に繋がっている。
【００２８】
そして、本実施の形態１の熱電変換モジュール１００では、絶縁基板６の素子配置面６ａのコーナ部（角部）に配置される熱電変換素子は、Ｐ型およびＮ型のいずれの場合も複数の素子が並列に配置されている。さらに、図２に示すように、その一つ一つの素子の接続面積、すなわち高温側電極１とコーナ部熱電変換素子との接続面積、および低温側電極２とコーナ部熱電変換素子との接続面積は、コーナ部以外の熱電変換素子と高温側電極１、およびコーナ部以外の熱電変換素子と低温側電極２の接続面積よりも小さい。一方で、複数個からなるコーナ部熱電変換素子の接続面積の総和は、コーナ部以外の熱電変換素子と高温側電極１の接続面積、およびコーナ部以外の熱電変換素子と低温側電極２の接続面積よりも大きい。
【００２９】
すなわち、絶縁基板６の応力が集中し易いコーナ部（角部）において複数接続されたＰ型とＮ型のうちの何れか一方の熱電素子の電極との接続面積の総和は、Ｐ型とＮ型のうちの何れか他方の１つの熱電素子の電極との接続面積に比べて大きい。
【００３０】
なお、後述する図５の構造のように、複数接続されたＰ型とＮ型のうちの何れか一方の熱電素子の電極との接続面積の総和は、Ｐ型とＮ型のうちの何れか他方の１つの熱電素子の電極との接続面積と同じであってもよい。
【００３１】
つまり、コーナ部において複数接続されたＰ型とＮ型のうちの何れか一方の熱電素子の電極との接続面積の総和は、Ｐ型とＮ型のうちの何れか他方の１つの熱電素子の電極との接続面積と同等以上であればよい。
【００３２】
なお、Ｐ型とＮ型のうちの何れか一方の熱電素子が複数配置される位置（箇所）は、絶縁基板６のコーナ部（角部）に限定されるものではなく、図４の変形例に示すように、コーナ部（角部）と同様に応力が集中し易い絶縁基板６の素子配置面６ａの外周部（周縁部、例えばＥ部やＦ部）等であってもよい。
【００３３】
ここで、Ｐ型とＮ型のうちの何れか一方の熱電素子が複数配置される絶縁基板６の外周部（周縁部）の定義について説明する。絶縁基板６の外周部（周縁部）とは、例えば、絶縁基板６上に配置された複数の熱電素子のうちの周縁部に沿って最も外側の列および外側から２列めまでの領域である。
【００３４】
もしくは、絶縁基板６の外周部（周縁部）とは、例えば、絶縁基板６上に配置された複数の電極（低温側電極１４）の配列の中で、周縁部に沿って最も外側の列および外側から２列めまでの領域である。これらの領域内にＰ型とＮ型のうちの何れか一方の複数の熱電素子を配置することで、絶縁基板６の外周部に付与される応力を分散させることができる。
【００３５】
そして、本実施の形態１の熱電変換モジュール１００における特徴を、別の表現で述べると、絶縁基板６のコーナ部または外周部（周縁部）において並列に接続されている複数の熱電素子のそれぞれの電極との接続面積は、コーナ部または外周部（周縁部）以外の箇所で直列に接続されている熱電素子の電極との接続面積より小さい。
【００３６】
さらに、絶縁基板６のコーナ部または外周部（周縁部）において並列に接続されている複数の熱電素子のそれぞれの電極との接続面積の総和は、コーナ部または外周部（周縁部）以外の箇所で直列に接続されている熱電素子の電極との接続面積以上である。
【００３７】
また、さらに他の表現を用いると、Ｐ型またはＮ型の熱電素子のうちの複数接続された一方の熱電素子（例えば、図２におけるＰ型のコーナ部熱電変換素子１２）は、熱電素子の配列の中で、図２に示すように、絶縁基板６の素子配置面６ａにおける中心Ｃから最も遠い位置に設けられている。
【００３８】
別の表現に換言すると、Ｐ型またはＮ型の熱電素子のうちの複数接続された一方の熱電素子（例えば、図２において角部に配置された４つのコーナ部熱電変換素子１２）のそれぞれは、絶縁基板６の素子配置面６ａの中心Ｃから対角線Ｌに沿って最も遠い位置に設けられている。
【００３９】
次に、各熱電素子の材料について説明する。Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４は、図１に示す熱電変換モジュール１００を使用する環境温度により最適な材料が異なる。熱電材料としては、例えばシリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、ビスマス−アンチモン系、ホイスラー合金系またはハーフホイスラー合金系などがある。Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４は、これらの材料のうちの何れかの組合せからなることが好ましい。
【００４０】
本実施の形態１では、一例として、図３に示すように、接合材料を溶融して接続する形態を記す。高温側接合材１１を、熱電変換モジュール１００の組立て時に溶融させることにより、高温側電極１０と、Ｐ型熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）３およびＮ型熱電変換素子１３とを高温側接合材１１を介して接続する。
【００４１】
同様に、低温側接合材１５を、熱電変換モジュール１００の組立て時に溶融させることにより、低温側電極１４と、Ｐ型熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）３およびＮ型熱電変換素子１３とを低温側接合材１５介して接続する。
【００４２】
また、低温側電極１４と低温側絶縁板（絶縁基板６）１６も接続されるが、図３では接合材料を省略する。本実施の形態１では低温側接合材１５および高温側接合材１１を用いて熱電変換素子を接続する例を記載したが、接合材を用いない接合方法、例えば常温接合、拡散接合、超音波接合などの接合方法でもよい。
【００４３】
また、低温側電極１４と低温側絶縁板１６の接続は、ろう材、はんだ、導電性接着剤などの接合材を用いてもよいし、常温接合、拡散接合、超音波接合などの接合材を用いない接合でもかまわない。
【００４４】
また、高温側接合材１１、低温側接合材１５の材質としては、錫、インジウム、ビスマス、亜鉛またはアルミニウムのいずれかを主成分とする金属材料、銀ろうまたはアルミニウムろうなどのろう材、銀ペースト、銅ペーストあるいは酸化金属ナノ粒子（銀、銅など）が好ましい。
【００４５】
はんだ付けを行なう場合は、はんだのぬれ性を確保するために、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４の接合面、並びに高温側電極１０および低温側電極１４の接合面にぬれ性を確保するニッケル、金または銅などの金属膜を形成することも可能である。
【００４６】
さらに、高温側電極１０、ならびに低温側電極１４の材質は、電気を導通する配線としての機能を有するため、電気抵抗の小さい金属、例えば銅、アルミニウム、ニッケルまたは金などが望ましい。また、低温側絶縁板（絶縁基板６）１６は電気絶縁性のある材料、例えばセラミックやポリイミド、プリント基板、フレキシブル基板などが挙げられる。
【００４７】
本実施の形態では、低温側のみに絶縁基板（低温側絶縁板１６）６を形成したが、高温側にも絶縁基板６を形成しても良いし、低温側および高温側両方とも絶縁基板６を形成しなくても良い。
【００４８】
なお、工業炉および自動車の使用環境は２００〜９００℃程度が想定されているため、熱電変換モジュール１００の使用時と非使用時との温度差が非常に大きくなる。使用時では高温側と低温側の温度差が１００度〜８００度となる可能性が高く、Ｐ型熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）３およびＮ型熱電変換素子１３の上下面で温度差が大きくなる。
【００４９】
温度差が大きい場合、Ｐ型熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）３およびＮ型熱電変換素子１３と、電極との線膨張係数差により接続界面に応力またはひずみが集中し、接続部が破断する懸念がある。
【００５０】
特に、熱電変換モジュール１００のサイズが大きくなると、熱電変換モジュール１００の中心からの距離が長くなるため、熱電変換モジュール１００の外周部（絶縁基板６の素子配置面６ａの周縁部）、特にコーナ部に応力およびひずみが集中する。
【００５１】
そこで、本実施の形態１では、モジュール（絶縁基板６）のコーナ部および外周部（周縁部）以外の箇所に配置された熱電変換素子に比べて接続面積が小さくなる熱電変換素子を、モジュール（絶縁基板６）のコーナ部または外周部（周縁部）に複数設置している。
【００５２】
これにより、本実施の形態１の熱電変換モジュール１００では、仮にコーナ部の１つの素子が温度変化に伴う応力で破断した場合でも電気的導通を損なうことがない。
【００５３】
すなわち、本実施の形態１の熱電変換モジュール１００によれば、使用時に温度差によってコーナ部を含む外周部（周縁部）で応力が発生した際でも、素子が複数配置されているため、応力が集中し易い箇所に配置された熱電素子が損傷するのみであり、それ以外の熱電素子は電気的導通を損なうことがなく、モジュールにおける断線を防止することができる。
【００５４】
つまり、絶縁基板６において応力が集中し易い位置に、細かく分割した複数の熱電素子を並列で接続し、かつ配置することで、応力が集中した際に、並列で接続された複数の熱電素子のうちの１つが破壊されたとしても残りの熱電素子によって導通は保たれているため、熱電変換モジュール全体としては十分に機能することが可能である。
【００５５】
その結果、熱電変換モジュール１００の信頼性を向上させることができる。
【００５６】
また、コーナ部の熱電変換素子の接続面積の総和を、コーナ部および外周部（周縁部）以外の熱電変換素子１つの接続面積と比べて同等以上にすることにより、従来構造に比べて熱電変換モジュール全体の効率を向上することができる。
【００５７】
さらに、接続面積が小さい熱電変換素子をコーナ部または外周部（周縁部）に使用することで、コーナ部に特殊な形状の電極を使用する必要がなく従来と同じサイズの電極を使用できるため、製造プロセスを大きく変更することなく従来の熱電変換モジュールと同等以上の熱電変換モジュール性能を確保することができる。
【００５８】
また、絶縁基板６の素子配置面６ａのコーナ部（角部）または外周部（周縁部）において、複数接続された一方の熱電素子のそれぞれの電極との接続面積は、他方の熱電素子の電極との接続面積に比べて小さい。
【００５９】
これにより、絶縁基板６のコーナ部または外周部（周縁部）等において応力集中が発生した際に、複数配置された熱電素子のうちの最も損傷し易い熱電素子が壊れるため、それ以外の熱電素子の電気的導通を維持することができ、その結果、絶縁基板６のコーナ部または外周部（周縁部）等における断線の発生を防ぐことができる。
【００６０】
上記図１〜図４に示す例では、コーナ部（角部）を含む外周部（周縁部）に複数個の熱電変換素子を形成した場合を記載したが、応力やひずみの集中が想定される箇所、例えば熱による膨張収縮時に変形量が局所的に変化するモジュール形状の変曲点近傍などに複数個の熱電素子を形成しても同様な効果が得られる。
【００６１】
モジュール形状の変曲点とは、例えば絶縁基板６において最も大きな温度差が発生する箇所等であり、一例としてその変曲点が絶縁基板６の中央部である場合には、絶縁基板６の中央部付近に複数の熱電素子を設けてもよい。
【００６２】
さらに、本実施の形態１ではコーナ部の素子がＰ型のコーナ部熱電変換素子１２である場合を主として説明したが、コーナ部に配置される熱電素子は、Ｎ型熱電変換素子であってもよい。また、熱電素子においてその接続面の形状は、四角形、円形、楕円、多角形など、どのような形状でもかまわないが、応力緩和の観点では円形もしくは楕円形が望ましい。
【００６３】
図１に示す熱電変換モジュール１００における引き出し配線５は、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４において発生する電力を外部に取り出すものであり、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの導電性材料であればよい。
【００６４】
そして、引き出し配線５の低温側電極２との接合は、はんだ付け、超音波接合、拡散接合または導電性ペーストなど、使用環境下で接合が保たれる構造であればどのような方法でもよい。
【００６５】
さらに、本実施の形態１による熱電変換モジュール１００では、引き出し配線５を低温側電極２に結線して低温側から電力を取り出しているが、高温側電極１に結線して高温側から電力を取り出してもよい。
【００６６】
（実施の形態２）
本実施の形態２による熱電変換モジュールの構造を図５および図６を用いて説明する。図５は、実施の形態２による熱電変換モジュールの素子レイアウトの一例を示す平面透過図、図６は、図５に示す熱電変換モジュールのコーナ部近傍における素子接合部構造の一例を示す側面図である。ここでは、上述の実施の形態１による熱電変換モジュール１００と相違する点について説明する。
【００６７】
本実施の形態２の熱電変換モジュール２００の実施の形態１による熱電変換モジュール１００との相違点は、コーナ部熱電変換素子１２の構造である。
【００６８】
図５に示すように、本実施の形態２による熱電変換モジュール２００は、上述の実施の形態１と同様にコーナ部の熱電変換素子を分割しているが、１つの熱電変換素子（例えば、コーナ部熱電変換素子１２）をモジュールの組立てにおいて縦方向にクラックを発生させて分割していることが特徴である。
【００６９】
本実施の形態２により、実施の形態１の特徴に加え、製造時に複数の素子をコーナ部に設置する必要がなくなり、製造プロセスを簡略化することができる。
【００７０】
ここで、熱電素子において縦方向へのクラックを形成する方法の一例として、熱電変換モジュール２００を組み立てる際にクラックを発生させる方法を記載する。
【００７１】
熱電変換モジュール２００は、低温側電極と熱電変換素子、熱電変換素子と高温側電極とを接続する際に、これらの部材を積層して加圧および加熱を加えるプロセスが広く用いられている。
【００７２】
図５に示すように、１つの熱電変換モジュール２００の中には複数のＰ型熱電変換素子、Ｎ型熱電変換素子が存在し、それらの熱電素子を一括で接続することが多い。
【００７３】
これらの素子の中から選択的に、かつ機械的に縦方向のクラックを発生させるものであり、したがって、クラックを発生させたい熱電変換素子の高さをその他の熱電変換素子の高さよりも高くしておく。これにより、加圧プロセス時にクラックを発生させたい熱電素子に荷重を集中して付与することで、選択的かつ機械的に縦方向のクラックを発生させることができる。
【００７４】
すなわち、本実施の形態２では、加圧プロセス時、高さが高い熱電素子に最初に荷重がかかるため、高さが高い熱電素子は、複数に割れる。この現象を利用して絶縁基板６の外周部（周縁部）に高さが高い熱電素子を複数配置しておく。
【００７５】
その結果、この方法で組み立てられた図６に示す熱電変換モジュール２００では、コーナ部に配置されたコーナ部熱電変換素子１２が縦クラック１２ａによって複数に分割された状態となっている。そして、コーナ部熱電変換素子１２のそれぞれの高さは、他の箇所（コーナ部以外）の熱電素子（Ｎ型熱電変換素子１３やＰ型熱電変換素子３）に比べて高さが高い。
【００７６】
別の表現を用いると、複数接続された一方の熱電素子（コーナ部熱電変換素子１２）のそれぞれの高さは、他方（コーナ部以外）の熱電素子（Ｎ型熱電変換素子１３）の高さより高い。
【００７７】
さらに、平面視の素子の大きさにおいて、図５に示すように、クラックを発生させない熱電素子（Ｎ型熱電変換素子１３やＰ型熱電変換素子３）と同一サイズの熱電素子（コーナ部熱電変換素子１２）を用いている。
【００７８】
これにより、図６に示すように、上記の方式で縦クラック１２ａによって分割して形成した素子（コーナ部熱電変換素子１２）それぞれの接続面積は、クラックを発生させない１つの熱電素子（Ｎ型熱電変換素子１３）の接続面積と比較して小さくなる。
【００７９】
これにより、実施の形態２の熱電変換モジュール２００によっても実施の形態１の熱電変換モジュール１００と同様な効果を得ることができる。
【００８０】
すなわち、本実施の形態２の熱電変換モジュール２００によれば、使用時に温度差によってコーナ部を含む外周部（周縁部）で応力が発生した際でも、組立て時に形成された縦クラック１２ａによって素子（コーナ部熱電変換素子１２）が複数に分割されている。
【００８１】
これにより、仮に複数のコーナ部熱電変換素子１２のうちの１つが損傷したとしても、モジュールとしては電気的導通を損なうことがなく、モジュールにおける断線を防止することができる。
【００８２】
その結果、熱電変換モジュール２００の信頼性を向上させることができる。
【００８３】
また、モジュールの組立てにおいて、縦クラック１２ａを形成して接続面積が小さい熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）をコーナ部または外周部（周縁部）に配置することで、予めコーナ部に特殊な形状の電極を使用する必要がなく従来と同じサイズの電極を使用することができる。
【００８４】
これにより、製造プロセスを大きく変更することなく従来の熱電変換モジュールと同様の組立てにて熱電変換モジュール２００を組み立てることができる。
【００８５】
なお、本実施の形態２では、組立て時に縦クラック１２ａを形成して複数のコーナ部熱電変換素子１２を形成する方法を説明したが、この場合、複数接続されたコーナ部熱電変換素子１２のそれぞれの電極との接続面積の大きさは、素子ごとにばらばらである。
【００８６】
したがって、別の表現を用いると、複数のコーナ部熱電変換素子１２のそれぞれの電極との接続面積の大きさは、複数種類となる。
【００８７】
また、本実施の形態２の熱電変換モジュール２００では、図６に示すように、縦クラック１２ａを発生させた熱電素子の高さは、その他の箇所の熱電素子に比べて高くなっているため、高温側接合材１１と低温側接合材１５のそれぞれの接合部の厚さが薄くなる。
【００８８】
これにより、接合部の電気抵抗、熱抵抗を低くすることができ、熱電変換モジュール２００の特性を向上させることができる。
【００８９】
（実施の形態３）
本実施の形態３による熱電変換モジュールの構造を図７を用いて説明する。図７は、実施の形態３による熱電変換モジュールのコーナ部付近における素子接合部構造の一例を示す側面図である。また、図８は本発明の実施の形態３の変形例の熱電変換モジュールの素子レイアウトを示す平面透過図である。
【００９０】
ここでは、上述の実施の形態２による熱電変換モジュール２００と相違する点について説明する。
【００９１】
本実施の形態３の熱電変換モジュール３００の実施の形態２による熱電変換モジュール２００との相違点は、コーナ部熱電変換素子１２が、予め複数に分割されている点である。
【００９２】
すなわち、上述の熱電変換モジュール２００の複数のコーナ部熱電変換素子１２は、モジュールの組立ての加圧プロセス時に縦クラック１２ａを形成することで複数に分割したものであるが、本実施の形態３の熱電変換モジュール３００では、予め複数に個片化（分割）されたコーナ部熱電変換素子１２を低温側電極１４上に配置してモジュールを組立てたものである。
【００９３】
なお、コーナ部熱電変換素子１２の高さは、熱電変換モジュール２００と同様に、他の箇所（コーナ部以外）の熱電変換素子（Ｎ型熱電変換素子１３やＰ型熱電変換素子３）に比べて高くなっている。
【００９４】
本実施の形態３の熱電変換モジュール３００により、予めコーナ部の熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）の接続面積を他の箇所の熱電変換素子（Ｎ型熱電変換素子１３やＰ型熱電変換素子３）よりも確実に小さくすることができる。
【００９５】
すなわち、実施の形態２の熱電変換モジュール２００のように組立て時に機械的に分割するのではなく、Ｎ型熱電変換素子１３やＰ型熱電変換素子３よりも小さな接続面積となる個片化された複数のコーナ部熱電変換素子１２を予め準備しておき、これら複数のコーナ部熱電変換素子１２を低温側電極１４上に配置してモジュールを組み立てたものである。
【００９６】
これにより、コーナ部の熱電変換素子のレイアウトの自由度が高まるとともに、コーナ部のそれぞれの熱電変換素子（コーナ部熱電変換素子１２）の接続面積を、他の箇所の熱電変換素子（Ｎ型熱電変換素子１３やＰ型熱電変換素子３）よりも確実に小さくできるため、応力の影響を低くする素子配置も可能となる。
【００９７】
ここで、図８に示す変形例について説明する。本実施の形態３の熱電変換モジュール３００は、予め分割された複数のコーナ部熱電変換素子１２を用いるため、複数のコーナ部熱電変換素子１２において、接続面積の大きさが複数種類となるようにすることも可能である。
【００９８】
そこで、応力の影響を低くすることを考慮した素子配置として、図８に示すように、複数接続された一方の熱電素子（コーナ部熱電変換素子１２）のそれぞれにおいて、各熱電素子の電極との接続面積の大きさが、絶縁基板６の中心Ｃに近い位置のコーナ部熱電変換素子１２の接続面積の方が、絶縁基板６の中心Ｃから遠い位置のコーナ部熱電変換素子１２の接続面積より大きい。
【００９９】
詳細には、絶縁基板６の素子配置面６ａの中心Ｃに近い位置に設けられたコーナ部熱電変換素子１２の接続面積の方が、絶縁基板６の素子配置面６ａの中心Ｃから遠い位置に設けられたコーナ部熱電変換素子１２の接続面積より大きい。
【０１００】
つまり、絶縁基板６の素子配置面６ａにおいて、基板の中心Ｃからより遠い位置のコーナ部熱電変換素子１２の電極との接続面積が、中心Ｃに近い位置のコーナ部熱電変換素子１２の電極との接続面積より小さくなるような熱電素子の大きさとしておく。
【０１０１】
この場合、複数接続された一方の熱電素子（コーナ部熱電変換素子１２）の電極との接続面積の大きさは、複数種類（２種類）である。
【０１０２】
これにより、中心Ｃより遠い位置の熱電素子に対して、より大きな応力がかかるため、中心Ｃから遠い位置の接続面積の小さなコーナ部熱電変換素子１２を損傷させて、それ以外の、特に最も接続面積が大きいコーナ部熱電変換素子１２を残すことができる。
【０１０３】
これにより、仮に接続面積が小さな複数のコーナ部熱電変換素子１２のうちの１つが損傷したとしても、モジュールとしては電気的導通を損なうことがない。
【０１０４】
以上、本実施の形態３の熱電変換モジュール３００によれば、使用時に温度差によってコーナ部を含む外周部（周縁部）で応力が発生した際でも、予め分割された素子（コーナ部熱電変換素子１２）を用いているため、応力の影響を低くすることができる。
【０１０５】
この場合、仮に複数のコーナ部熱電変換素子１２のうちの１つが損傷したとしても、モジュールとしては電気的導通を損なうことがなく、モジュールにおける断線を防止することができる。
【０１０６】
その結果、熱電変換モジュール３００の信頼性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、上記実施の形態２および本実施の形態３による熱電変換モジュール２００，３００は、上述の実施の形態１による熱電変換モジュール１００と同様の方法で製造することができる。すなわち、コーナ部等の形状を上記形状とした場合であっても、実施の形態１の組立工法に加えて新たに必要になる工程はない。
【０１０８】
また、高温側電極１および低温側電極２の形状は、図１に示した形状に限定されるものではない。
【０１０９】
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【０１１０】
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【０１１１】
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。
【０１１２】
また、上記図１〜図８に示す例では、Ｐ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とが接続される電極の平面形状やその大きさが、１種類の場合を説明したが、上記電極の平面形状やその大きさは１種類に限定されるものではなく、複数種類であってもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１  高温側電極
２  低温側電極
３  Ｐ型熱電変換素子
４  Ｎ型熱電変換素子
５  引き出し配線
６  絶縁基板
６ａ  素子配置面
１０  高温側電極
１１  高温側接合材
１２  コーナ部熱電変換素子
１２ａ  縦クラック
１３  Ｎ型熱電変換素子
１４  低温側電極
１５  低温側接合材
１６  低温側絶縁板
１００，２００，３００  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】
2017143101.tif 000009
【図８】
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