(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
仕切板と、
前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定されたｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子と、
前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第１の面に接合された第１の金属電極と、
前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第２の面に接合された第２の金属電極と、
前記第１の金属電極に接合された、熱良導性フィラーを添加したエポキシ系樹脂、またはフッ素樹脂、またはシリコン系熱伝導性樹脂からなる第１の熱良導性電気絶縁薄膜と、
前記第２の金属電極に接合された、熱良導性フィラーを添加したエポキシ系樹、またはフッ素樹脂、またはシリコン系熱伝導性樹脂からなる第２の熱良導性電気絶縁薄膜と、
前記仕切板の端部の表面または裏面に形成された熱電半導体素子のリード線接続用の第１のリードパターンと
を備えたことを特徴とする熱電素子。
【請求項２】
仕切板の端部には熱電半導体素子の代わりにリード線取出用金属棒片が固定されていることを特徴とする請求項１記載の熱電素子。
【請求項３】
リード線取出用金属棒片と第１のリードパターンとが接合されていることを特徴とする請求項２記載の熱電素子。
【請求項４】
第１の金属電極または第２の金属電極が仕切板の端部まで延設され、その先端が折り曲げられて第１のリードパターンに接合されていることを特徴とする請求項２記載の熱電素子。
【請求項５】
第１のリードパターンは仕切板の表裏両面に形成され、かつ前記両面のリードパターンの間がスルーホールで貫通し、熱電半導体素子のリード線の先端部が折り曲げられて前記スルーホールを貫通し、ハンダにより接合されていることを特徴とする請求項２または３記載の熱電素子。
【請求項６】
前記仕切板上に温度検知素子収納スペースを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の熱電素子。
【請求項７】
仕切板の表面または裏面の端部から温度検知素子収納スペースの近傍にわたって、温度検知素子のリード線接続用の第２のリードパターンが形成されていることを特徴とする請求項６記載の熱電素子。
【請求項８】
第２のリードパターンは仕切板の表裏両面に形成され、かつ前記両面のリードパターンの間がスルーホールで貫通していることを特徴とする請求項７記載の熱電素子。
【請求項９】
前記温度検知素子収納スペースに温度検知素子を収納したことを特徴とする請求項６記載の熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ素子等の熱電半導体素子を利用した熱電素子に関し、特に、リード線の取付が容易であり、かつ取付後の引っ張り強度が高く、さらに温度検知素子を搭載可能な熱電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から知られている一般的な熱電素子の構成を図１１に示す。ここで図１１（ａ）は正面図であり、図１１（ｂ）は斜視図である。これらの図に示されているように、従来の熱電素子では、ｎ型熱電半導体素子とｐ型熱電半導体素子からなる熱電半導体素子が交互に配列されており、熱電半導体素子の上面と下面はそれぞれ金属電極に接合されている。熱電半導体素子は、上面と下面で金属電極に交互に接合され、最終的には全部の熱電半導体素子が電気的に直列に接続される。上下の金属電極と熱電半導体素子との接合は、ハンダ付けで行われる。そして、上面、下面のそれぞれの金属電極は、メタライズしたセラミック基板に接合されて全体が剛体で固定されている。
【０００３】
この熱電素子の電極に直流電源を接続して、ｎ型熱電半導体素子からｐ型熱電半導体素子の方向へ電流を流すと、ペルチェ効果によりπ型の上部で吸熱が起こり、下部で放熱が起こる。つまり、図１１（ａ）に示されているように、熱電半導体素子の上部が吸熱側（コールド・ジャンクション）となり、下部が放熱側（ホット・ジャンクション）となる。この際、電源の接続方向を逆にすると、吸熱、放熱の方向が変わる。この現象を利用して、熱電素子が冷却・加熱装置に使用される。熱電素子は、ＬＳＩ（大規模集積回路）、コンピュータのＣＰＵ（中央演算処理装置）やレーザダイオード等の冷却をはじめ、保温冷蔵庫に至る広範な用途を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の熱電モジュールでは、金属電極に直流電流を流すためのリード線が金属電極に直接ハンダ付けされていたため、リード線の接合が容易でなく、またリード線の引っ張り強度が弱いという問題点があった。
【０００５】
また、前記熱電モジュールを用いて冷却／加熱を行う際、何らかの原因で熱電モジュールの温度が異常に高くなった場合、熱電モジュールが破壊される前に一定の温度を感知し、電流供給の停止など、破壊を防止する処置をすることが望まれる。さらに、前記熱電モジュールを用いて冷却／加熱を行う際には、冷却側または放熱側を一定の温度にコントロールすることが必要である。そして、そのためには、熱電半導体素子の温度を正確に測定することが要求される。しかし、従来の熱電素子において、熱電半導体素子の最も高温の部分である下側金属電極との接合面の温度を測定しようとしても、熱電モジュールの内部に温度検知素子を収納するスペースがないため、現実には下側セラミック基板の下面の温度を熱電モジュールの外部から間接的に測定することになる。このため、熱電半導体素子の温度を正確に測定することはできなかった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、熱電素子のリード線の接合を容易にし、かつ接合後の引っ張り強度を向上させることのできる熱電素子を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は熱電素子の内部に温度検知素子を収納するスペースを有する熱電素子を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は内部に温度検知素子を収納した熱電素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電素子は、仕切板と、前記仕切板を貫通した状態で前記仕切板に固定されたｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子と、前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第１の面に接合された第１の金属電極と、前記ｐ型熱電半導体素子およびｎ型熱電半導体素子の第２の面に接合された第２の金属電極と、前記第１の金属電極に接合された、熱良導性フィラーを添加したエポキシ系樹脂、またはフッ素樹脂、またはシリコン系熱伝導性樹脂からなる第１の熱良導性電気絶縁薄膜と、前記第２の金属電極に接合された、熱良導性フィラーを添加したエポキシ系樹脂、またはフッ素樹脂、またはシリコン系熱伝導性樹脂からなる第２の熱良導性電気絶縁薄膜と、前記仕切板の端部の表面または裏面に形成された熱電半導体素子のリード線接続用の第１のリードパターンとを備えている。この構成により、熱電素子のリード線の接合が容易になる。
【００１０】
また、本発明に係る熱電素子は、前記第１のリードパターンは仕切板の表裏両面に形成され、かつ前記両面のリードパターンの間がスルーホールで貫通し、熱電半導体素子のリード線の先端部が折り曲げられて前記スルーホールを貫通し、ハンダにより接合されている。この構成により、リード線接合後の引っ張り強度を高めることができる。
【００１１】
さらに、本発明に係る熱電素子は、前記仕切板上に温度検知素子収納スペースを有する。この構成により、熱電素子の内部に温度検知素子を収納することができる。
【００１２】
そして、本発明に係る熱電素子は、前記温度検知素子収納スペースに温度検知素子を収納したものである。この構成により、内部に温度検知素子を収納した熱電素子を提供することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明を適用した熱電素子の要部の概略の正面図である。この熱電素子は、仕切板１に対してｐ型熱電半導体素子2Pとｎ型熱電半導体素子2Nとが貫通した状態で固定された構造を有する。ｐ型熱電半導体素子2Pとｎ型熱電半導体素子2Nとは交互に配列されている。ｐ型熱電半導体素子2Pとｎ型熱電半導体素子2Nの上面および下面には、それぞれ厚みが３００μｍ程度の銅板で構成された上側電極４および下側電極３がハンダにより接合されている。ｐ型熱電半導体素子2Pとｎ型熱電半導体素子2Nは、上面と下面で電極に交互に接合され、最終的には全部の熱電半導体素子が電気的に直列に接続される。また、下側電極３の下面および上側電極４の上面には、それぞれ厚みが数十〜１００μｍ、好ましくは７０〜８０μｍ程度の下側熱良導性電気絶縁薄膜５および上側熱良導性電気絶縁薄膜６が接合されている。これらの熱良導性電気絶縁薄膜の材料としては、例えばエポキシ系樹脂に熱良導性フィラーを添加したもの、フッ素樹脂、シリコン系熱伝導性樹脂等を使用することができる。そして、仕切板１の端部（図では右端）と上下の熱良導性電気絶縁薄膜６、５の端部（図では右端）との間には、温度検知素子収納スペースＳが設けられている。
【００１５】
なお、ここには図示されていないが、上側電極４および下側電極３の表面にはNi（ニッケル）メッキが施されている。このNiメッキ層は、電極を構成する銅の分子が熱電半導体素子に拡散することを防止するとともに、湿気などにより電極が酸化腐食されることを防止する。さらに、Niメッキ層の表面に酸化防止用のAu（金）の薄膜を形成することが好適である。
【００１６】
温度検知素子収納スペースＳに温度検知素子として熱電対を取り付けることにより、温度を連続的に測定することができる。また、ポリマー系のサーミスタスイッチを使用することもできる。このスイッチは一定以上の温度になるとオフになり、その後温度が下がるとオンになるため、過電流等による熱電素子の発熱および過熱保護素子として使用することができる。
【００１７】
温度検知素子を仕切板１の上側にのみ固定した場合、図１の上側を放熱側として使用したときに、その温度を測定することができる。温度検知素子を仕切板１の上側と下側の双方に固定した場合には、熱電半導体素子に印加する電流の極性を反転し、下側を放熱側として使用したときに、下側に固定された温度検知素子により、熱電半導体素子の高温部の温度を測定することができる。
【００１８】
図２は本発明を適用した熱電素子の一例の平面図であり、図３（ａ）、（ｂ）は図２においてａ、ｂを付した部分の拡大図である。さらに、図４、図５は前記熱電素子から熱良導性電気絶縁薄膜５、６を取り除いた状態を示す平面図および背面図である。
【００１９】
これらの図に示すように、仕切板１の上面（平面図に現れている面）の上部の左右端には、温度検知素子用表側リードパターン11A，12A，13A，14Aが形成されている。また、仕切板１の背面の下部（上面の上部の裏側）の左右端には、温度検知素子用裏側リードパターン11B，12B，13B，14Bが形成されている。さらに、仕切板１の上面の下部の右端には、熱電モジュール用表側リードパターン15A，16が形成されている。また、仕切板１の背面の上部（上面の下部の裏側）の右端には、熱電モジュール用裏側リードパターン15B，16Bが形成されている。ここで、表側と裏側の同一数字のリードパターンの間はスルーホールで貫通している。なお、ここでは仕切板１の平面形状を正方形にした例を示したが、仕切板の形状は、長方形、多角形、円形など、どのような形状でもよい。
【００２０】
以上のように構成された仕切板１の上面に設けられた上側熱良導性電気絶縁薄膜６は突出片６Ａを有しており、その下側と仕切板１との間に設けられた温度検知素子収納スペースに温度検知素子９を固定することができる。ここに固定する温度検知素子９は、例えば薄い矩形の板状に構成されており、その両端に温度検知素子リード9A，9Bを備えている。温度検知素子リード9A，9Bは、温度検知素子用表側リードパターン11A，13Aの一端にハンダ付けにより接合される。温度検知素子用表側リードパターン11A，13Aの他端には、温度検知素子用リード線17，19がハンダ付けにより接合される。
【００２１】
温度検知素子用リード線17と、温度検知素子用表側リードパターン11Aおよび温度検知素子用裏側リードパターン11Bとの接合部については、図３（ａ）の拡大図に示されている。すなわち、温度検知素子用リード線先端部17Aを曲げ、温度検知素子用表側リードパターン11A側から、温度検知素子用表側リードパターン11Aと温度検知素子用裏側リードパターン11Bとの間のスルーホールに通した後、温度検知素子用裏側リードパターン11Bにハンダ26で接合する。このように接合することで、温度検知素子用リード線17の引っ張り強度を高めることができる。温度検知素子用リード線19についても同様である。また、仕切板１の背面に温度検知素子を固定する場合も同様である。この場合、図５に示すように、温度検知素子リード9A，9Bを温度検知素子用裏側リードパターン12B，14Bの一端にハンダ付けにより接合する。そして、温度検知素子用裏側リードパターン12B，14Bの他端に温度検知素子用リード線18，20をハンダ付けにより接合する。接合部の構造は表側の場合と同様である。
【００２２】
また、仕切板１上に形成された熱電モジュール用表側リードパターン15A，16Aの一端（図２では左端）は、仕切板１に固定された熱電半導体素子群の端（図２では右端）に設けられたCu（銅）ロッド2Cにハンダ付けにより接合されている。そして、熱電モジュール用表側リードパターン15A，16Aの他端には熱電モジュール用リード線21，22がハンダ付けにより接合されている。
【００２３】
熱電モジュール用表側リードパターン16Aおよび熱電モジュール用裏側リードパターン16Bと、Cuロッド2Cおよび熱電モジュール用リード線22との接合部については、図３（ｂ）の拡大図に示されている。この図に示すように、熱電モジュール用表側リードパターン16Aおよび熱電モジュール用裏側リードパターン16Bの一端（この図では左端）は、Cuロッド2Cにハンダ24により接合されている。また、熱電モジュール用リード線22の先端部22Aを曲げ、熱電モジュール用表側リードパターン16A側から、熱電モジュール用表側リードパターン16Aと熱電モジュール用裏側リードパターン16Bとの間のスルーホールに通した後、熱電モジュール用裏側リードパターン16Bにハンダ25で接合する。このように接合することで、熱電モジュール用リード線22の引っ張り強度を高めることができる。熱電モジュール用リード線21についても同様である。なお、Cuロッド2Cは、熱電半導体素子2P，2Nと同様、仕切板１を貫通した状態でこの仕切板１に固定されているものである。
【００２４】
以上のように構成された熱電素子において、一対の熱電モジュール用リード線21，22に直流電圧を印加すると、リード線の21，22先端、熱電モジュール用リードパターン15A,15B、16A,16B、Cuロッド2C、金属電極３，４を通って熱電半導体素子に直流電流が流れ、放熱側と吸熱側ができる。ここでは、図２における仕切板１の上側が放熱側とする。また、この熱電素子において、温度検知素子９は上側電極４の温度を検知し、検知信号を一対の温度検知素子用リード線17，19から出力する。この検知信号をもとに、一対の熱電モジュール用リード線21，22に印加する直流電圧や電流を制御することで、適切な温度コントロールを行うことが可能となる。さらに、温度検知素子用９として、前述したサーミスタスイッチを用いた場合、温度検知素子用９は上側電極４の温度を検知し、一定温度を越えると温度検知素子用９自身がオフとなる。そこで、この温度検知素子用９の出力を熱電モジュール用リード線21，22の直流電源回路にフィードバックし、電流もしくは電圧のオン／オフ、または増減を行うように構成することにより、自動的に過熱保護動作が行うことが可能となる。
【００２５】
図６は本発明を適用した熱電素子の一例の平面図であり、図７（ａ）、（ｂ）は図６においてａ、ｂを付した部分の拡大図である。さらに、図８、図９は前記熱電素子から熱良導性電気絶縁薄膜５、６を取り除いた状態を示す平面図および背面図である。ここで、図２〜図５と対応する構成要素には、それらの図で使用した符号と同一の符号を付した。
【００２６】
この熱電素子と図２〜図５を参照しながら説明した熱電素子との相違は、表裏のリードパターンに対してリード線を固定する側に反対になっていることである。すなわち、図７（ａ）の部分拡大図に示すように、温度検知素子用リード線先端部17Aを曲げ、温度検知素子用裏側リードパターン11B側から、温度検知素子用裏側リードパターン11Bと温度検知素子用表側リードパターン11Aとの間のスルーホールに通した後、温度検知素子用表側リードパターン11Aにハンダ26で接合する。また、図７（ｂ）の部分拡大図に示すように、熱電モジュール用リード線先端部22Aを曲げ、熱電モジュール用裏側リードパターン16Bから、熱電モジュール用裏側リードパターン16Bと熱電モジュール用表側リードパターン16Aとの間のスルーホールに通した後、熱電モジュール用表側リードパターン16Aにハンダ25で接合する。
【００２７】
この熱電素子のその他の部分の構成および動作は図２〜図５に示した熱電素子と同様であるため、説明は省略する。
【００２８】
以上のように、本発明の実施の形態の熱電素子は以下の（１）〜（３）に記載した特徴を有する。
【００２９】
（１）仕切板１上に、熱電半導体素子用のリードパターンおよび温度検知素子用のリードパターンを形成したため、それらの素子と外部回路との接続が容易になる。
【００３０】
（２）仕切板１の表面と裏面のリードパターン間にスルーホールを設け、リード線を折り曲げて前記スルーホールを貫通させ、ハンダで接合する構造を有するため、リード線の引っ張り強度が向上する。
【００３１】
（３）熱電半導体素子2P，2Nと金属電極３，４との接合面と、温度検知素子９との間には、金属電極３，４と熱良導性電気絶縁薄膜５，６が介在するのみであるため、前記接合面の温度を正確に測定することができる。
【００３２】
なお、前記実施の形態では、熱電モジュール用表側リードパターン15A，16AをCuロッド2Cにハンダ付けにより接合したが、図１０（ａ）に示すように、上側電極４および上側熱良導性電気絶縁薄膜６を仕切板１の端部まで延長して設け、その先端を折り曲げて熱電モジュール用表側リードパターン15Aにハンダ付けにより接合してもよい。この場合、まず図１０（ｂ）に示すように、上側熱良導性電気絶縁薄膜６の上面を加圧・固定ブロック31で加圧・固定する。次に、図１０（ｃ）に示すように、加圧・伝熱ブロック32により、上側熱良導性電気絶縁薄膜６の上面の右端を加圧し、曲げる。次いで、図１０（ｄ）に示すように、ヒータブロック33を加圧・伝熱ブロック32上に載せ、一定時間、加熱・加圧してハンダを溶融させる。次に、図１０（ｅ）に示すように、ヒータブロック33を上昇させ、加圧・伝熱ブロック32を冷風により急冷し、ハンダの再溶融を防止する。その後に、加圧・伝熱ブロック32および加圧・固定ブロック31を上昇させる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る熱電素子によれば、仕切板上に熱電半導体素子のリード線接続用のリードパターンを備えているので、熱電素子のリード線の接合が容易になる。
【００３４】
また、本発明に係る熱電素子によれば、前記リードパターンが仕切板の表裏両面に形成され、かつ両面のリードパターンの間がスルーホールで貫通し、熱電半導体素子のリード線の先端部が折り曲げられて前記スルーホールを貫通し、ハンダにより接合されているので、リード線接合後の引っ張り強度を高めることができる。
【００３５】
さらに、本発明に係る熱電素子によれば、仕切板上に温度検知素子収納スペースを設けたので、熱電素子の内部に温度検知素子を収納することができる。
【００３６】
そして、本発明に係る熱電素子によれば、前記温度検知素子収納スペースに温度検知素子を収納したので、内部に温度検知素子を収納した熱電素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した熱電素子の要部の概略の正面図である。
【図２】本発明を適用した熱電素子の一例の平面図である。
【図３】図２の熱電素子の一部拡大図である。
【図４】図２の熱電素子から熱良導性電気絶縁薄膜を取り除いた状態を示す平面図である。
【図５】図２の熱電素子から熱良導性電気絶縁薄膜を取り除いた状態を示す背面図である。
【図６】本発明を適用した熱電素子の他の一例の平面図である。
【図７】図６の熱電素子の一部拡大図である。
【図８】図６の熱電素子から熱良導性電気絶縁薄膜を取り除いた状態を示す平面図である。
【図９】図６の熱電素子から熱良導性電気絶縁薄膜を取り除いた状態を示す背面図である。
【図１０】本発明を適用した熱電素子における熱電モジュール用リードパターンと電極との接続部の別の例を示す図である。
【図１１】従来の熱電素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１  仕切板
2P  ｐ型熱電半導体素子
2N  ｎ型熱電半導体素子
３  下側電極
４  上側電極
５  下側熱良導性電気絶縁薄膜
６  上側熱良導性電気絶縁薄膜
９  温度検知素子
Ｓ  温度検知素子収納スペース
【図１】
0004310057.tif 000002
【図２】
0004310057.tif 000003
【図３】
0004310057.tif 000004
【図４】
0004310057.tif 000005
【図５】
0004310057.tif 000006
【図６】
0004310057.tif 000007
【図７】
0004310057.tif 000008
【図８】
0004310057.tif 000009
【図９】
0004310057.tif 000010
【図１０】
0004310057.tif 000011
【図１１】
0004310057.tif 000012