(57)【要約】【課題】複数の電極、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子により構成される回路の一部の抵抗値を測定可能な熱電変換モジュール及びその評価方法を提供すること。【解決手段】互いに対向する一対の基板２、７と、一対の基板２、７の間に配置された、複数のｐ型熱電変換素子３及び複数のｎ型の熱電変換素子４と、一対の基板２、７上にそれぞれ設けられ、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の各一対の端面同士を電気的に接続し、複数のｐ型熱電変換素子３及び複数のｎ型熱電変換素子４をｐ型ｎ型交互に電気的に直列に接続させる複数の電極６、８と、を備える熱電変換モジュール２０であって、一対の基板２、７の両方に、電極の一部を露出させる貫通孔１が電極６、８毎に形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の基板と、
前記一対の基板の間に配置された、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子と、
前記一対の基板上にそれぞれ設けられ、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子の各一対の端面同士を電気的に接続し、前記複数のｐ型熱電変換素子及び前記複数のｎ型熱電変換素子をｐ型ｎ型交互に電気的に直列に接続させる複数の電極と、
を備え、前記一対の基板の少なくとも一方に、前記電極の一部を外部に露出させる貫通孔が形成されている熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記一対の基板の両方に、前記電極の一部を露出させる貫通孔がそれぞれ形成されている請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記一対の基板の両方に、前記電極の一部を露出させる貫通孔が前記電極毎に形成されている請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子のうち少なくとも１つの伝導型の熱電変換素子が金属酸化物を含む請求項１〜３のいずれか一項記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか記載の熱電変換モジュールの評価方法であって、前記貫通孔を介して前記一部が露出された電極に対してプローブを接触させ、前記複数の電極、前記複数のｐ型熱電変換素子及び前記複数のｎ型熱電変換素子により構成される回路の一部の抵抗値を測定する熱電変換モジュールの評価方法。
【請求項６】
請求項３記載の熱電変換モジュールの評価方法であって、前記複数の貫通孔を介して前記複数の電極に対して、複数のプローブをそれぞれ接触させた状態とし、前記各熱電変換素子及び前記各熱電変換素子の両端を挟む一対の前記電極により構成される単位回路の抵抗値を測定する熱電変換モジュールの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュール及びその評価方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールとして、互いに対向する一対の基板と、一対の基板の間に配置された複数のｐ型及びｎ型の熱電変換素子と、一対の基板上にそれぞれ設けられ、これらのｐ型及びｎ型の熱電変換素子を電気的に直列に接続する複数の電極と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−４０９６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような熱電変換モジュールは、複数の熱電変換素子及び複数の電極により構成された回路を有しており、回路の両端には電圧出力用の外部出力電極が設けられている。そして、このような構造を有する熱電変換モジュールにおいては、組み立て後に、回路全体の抵抗について外部出力電極を利用して調べることができるものの、各熱電変換素子や電極が基板間に挟まれているために、回路の一部の抵抗値を測ることは困難である。そのため、熱電変換モジュールの組み立て後に、各熱電変換素子と電極との接合形成異常又は熱電変換素子の破損等の不具合が生じても、それらの位置を具体的に知ることが困難であった。そして、不具合の位置及び原因を特定するために多大な時間が費やされることは、熱電変換モジュールの生産コスト又は保守コストを増加させる大きな要因の一つとなっている。
【０００４】
そこで本発明は、熱電変換モジュールが有する回路の一部の抵抗値を容易に測定可能な熱電変換モジュール及びその評価方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る熱電変換モジュールは、互いに対向する一対の基板と、一対の基板の間に配置された、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型の熱電変換素子と、一対の基板上にそれぞれ設けられ、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子の各一対の端面同士を電気的に接続し、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子をｐ型ｎ型交互に電気的に直列に接続させる複数の電極と、を備え、一対の基板の少なくとも一方に、電極の一部を外部に露出させる貫通孔が形成されている。
【０００６】
本発明によれば、外部から貫通孔を介し、電極に対して測定用のプローブを容易に接触させることができる。これにより、貫通孔を介して外部に露出された電極と、他の電極、例えば、熱電変換モジュールを構成する電極のうちで最も外側に配置された電極の側面又は外部出力電極等と、を導通させることによって、複数の電極、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子により構成される回路の一部の電気抵抗を容易に測定することができる。これにより、この抵抗値に基づいて、不具合のある熱電変換素子及び接合形成異常の生じている熱電変換素子と電極とが存在する部分を容易に特定することができる。
【０００７】
ここで、電極の一部を露出させる貫通孔は、一対の基板の両方にそれぞれ形成されていることが好ましい。
【０００８】
これにより、各基板の側から貫通孔を介し、電極に対して測定用のプローブを容易に接触させることができる。そして、外部からの接触が可能になったそれぞれの電極と、他の電極とを導通することにより、回路の一部の電気抵抗をより細かく測定することができる。したがって、その抵抗値に基づいて、不具合のある熱電変換素子及び接合形成異常の生じている熱電変換素子と電極とが存在する部分を、より具体的に特定することができる。
【０００９】
また、一対の基板の両方に、電極の一部を露出させる貫通孔が電極毎に形成されていることが好ましい。
【００１０】
貫通孔が電極毎に形成されているため、各熱電変換素子及びその熱電変換素子を挟む一対の電極により構成される単位回路の電気抵抗を個別に測定することができる。したがって、その抵抗値に基づいて、熱電変換素子本体の不具合並びに熱電変換素子と電極との接合形成異常の生じている部分を熱電変換素子毎に調べることができ、欠陥のある位置を極めて具体的に特定することができる。
【００１１】
また、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子のうち少なくとも１つの伝導型の熱電変換素子が金属酸化物を含むことが好ましい。
【００１２】
熱電変換素子が金属酸化物を含む材料からなる場合、熱電変換モジュールの製造上、熱電変換素子と電極とを良好に接合することが困難な場合が多く、熱電変換素子と電極との接合形成異常も生じ易い。そのため、熱電変換素子として金属酸化物を含む材料を採用することは本発明にとって特に有用性が高い。
【００１３】
また、本発明に係る熱電変換モジュールの評価方法は、上述の熱電変換モジュールに対して、貫通孔を介して一部が露出された電極にプローブを接触させ、複数の電極、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子により構成される回路の一部の抵抗値を測定する。これにより、容易に不具合の箇所を特定することができる。
【００１４】
さらに、一対の基板の両方に、電極の一部を露出させる貫通孔が電極毎に形成されている熱電変換モジュールに対して、複数の貫通孔を介して複数のプローブをそれぞれ複数の電極に接触させた状態とし、各熱電変換素子及び各熱電変換素子の両端を挟む一対の電極により構成される単位回路の抵抗値を測定することが好ましい。
【００１５】
これによれば、不具合箇所を極めて迅速かつ容易に調べることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱電変換モジュール及びその評価方法によれば、複数の電極、複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子により構成される回路の一部の電気抵抗を容易に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、各図面の寸法比率は、必ずしも実際の寸法比率とは一致していない。
【００１８】
（第１実施形態）
（熱電変換モジュールの構成）
図１は、熱電変換モジュール２０の第１実施形態における断面図を示す。図１に示されるように、熱電変換モジュール２０は、第１の基板２、第１の電極８、熱電変換素子１０、第２の電極６及び第２の基板７を備える。
【００１９】
第１の基板２は、例えば矩形状をなし、電気的絶縁性で、かつ熱伝導性を有し、複数の熱電変換素子１０の一端を覆うものである。この第１の基板の材料としては、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア等が挙げられる。
【００２０】
第１の電極８は、第１の基板２上に設けられ、互いに隣接する熱電変換素子１０の一端面同士を電気的に接続するものである。この第１の電極８は、第１の基板２上の所定位置に、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜技術、スクリーン印刷、めっき、溶射等の方法を用いて形成することができる。また、所定形状の金属板等を例えば、はんだ、ロウ付け等で第１の基板２上に接合させてもよい。第１の電極８の材料としては、導電性を有するものであれば特に制限されないが、電極の耐熱性、耐食性、熱電素子への接着性を向上させる観点から、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、モリブデン、銀、パラジウム、金、タングステン及びアルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を主成分として含む金属が好ましい。ここで、主成分とは、電極材料中に５０体積％以上含有されている成分を言う。
【００２１】
また、第１の電極８の中で、最も外側に配置された電極８は、それぞれ基板２、７の外側に延びていて、熱起電力によって発生した電流を外部に取り出す外部出力電極１１ａ，１１ｂとして機能する。
【００２２】
熱電変換素子１０は、例えば断面矩形状の棒状部材であり、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４の２種類が存在する。
【００２３】
各熱電変換素子１０を構成する材料は特に限定されず、金属、金属酸化物等の種々の材料を用いることができる。
【００２４】
例えば、ｐ型の材料としては、ＮａｘＣｏＯ２、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ９等の金属複合酸化物、ＭｎＳｉ１．７３、Ｆｅ１−ｘＭｎｘＳｉ２、Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２、β−ＦｅＳｉ２等のシリサイド、ＣｏＳｂ３、ＦｅＳｂ３、ＲＦｅ３ＣｏＳｂ１２（ＲはＬａ、Ｃｅ又はＹｂを示す）等のスクッテルダイト、ＢｉＴｅＳｂ、ＰｂＴｅＳｂ、Ｂｉ2Ｔｅ３、ＰｂＴｅ等のＴｅを含有する合金等が挙げられる。
【００２５】
また、ｎ型の材料としては、例えば、ＳｒＴｉＯ３、Ｚｎ１−ｘＡｌｘＯ、ＣａＭｎＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＢａｘＴｉ８Ｏ１６、ＢａＴｉＯ３、Ｔｉ１−ｘＮｂｘＯ等の金属複合酸化物、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｆｅ１−ｘＣｏｘＳｉ２，Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２、β−ＦｅＳｉ２等のシリサイド、スクッテルダイト、Ｂａ８Ａｌ１２Ｓｉ３０，Ｂａ８Ａｌ１２Ｇｅ３０等のクラスレート化合物、ＣａＢ６、ＳｒＢ６、ＢａＢ６、ＣｅＢ６等のホウ素化合物、ＢｉＴｅＳｂ、ＰｂＴｅＳｂ、Ｂｉ2Ｔｅ３、ＰｂＴｅ等のＴｅを含有する合金等が挙げられる。
【００２６】
第２の基板７は、例えば矩形状をなし、熱電変換素子１０の他端側を覆うものである。また、第２の基板７は、第１の基板２と対向している。第２の基板７は、第１の基板２と同様に、電気的絶縁性で、かつ熱伝導性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシア等の材料を用いることができる。
【００２７】
第２の電極６は、互いに隣接する熱電変換素子１０の他端面同士を電気的に接続するものであり、第２の基板７の下面に、例えば、スパッタや蒸着等の薄膜技術、スクリーン印刷、めっき、溶射等の方法を用いて形成することができる。そして、この第２の電極６と、熱電変換素子１０の下端面側に設けられた第１の電極８とにより、熱電変換素子１０は電気的に直列に接続されている。
【００２８】
ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は、第１の基板２及び第２の基板７間に交互に並んで配置されると共に、これらの両面が対応する第１の電極８及び第２の電極６の表面に対して、例えば、ＡｕＳｂ、ＰｂＳｂ系のはんだや銀ペースト等の接合材９により固定され、全体として電気的に直列に接続されている。この接合材は、熱電変換素子モジュールとしての使用時に固体であるものが好ましい。
【００２９】
ここで、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４は、それらの上面及び底面に、それぞれ金属層を有してもよい。すなわち、各熱電変換素子１０と電極６、８とを接合剤９によって接合する際、各熱電変換素子１０と接合剤９との接合性を向上させるために、各熱電変換素子１０の表面における電極６、８との接合面に、金属層を予め形成してから、この金属層と電極６、８とを接合材９により接合してもよい。
【００３０】
各熱電変換素子１０と電極６、８との接合面に金属層が形成されていると、接合材９によって、この金属層と電極６、８との接合が容易に行われるうえに、金属層と各熱電変換素子１０との密着性がよいために、より接続信頼性が高く、かつ、より接触抵抗の低い熱電変換モジュール２０を実現できる。従って、熱電変換モジュール２０の発電効率を高めることができる。
【００３１】
特に、各熱電変換素子１０が金属酸化物を含む材料からなる場合、熱電変換素子と電極との接合は困難な場合が多く、あらかじめ金属層を形成することが特に好ましい。しかしながら、金属酸化物を含む熱電変換素子の表面に、予め密着性の高い金属の層を形成すること自体が困難な場合も多く、熱電変換素子と電極との接合形成異常が生じ易い。したがって、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４のうち少なくとも１つの伝導型の熱電変換素子１０が、金属酸化物を含む材料から構成されている場合に、本発明は極めて有効となる。
【００３２】
そして、本実施形態においては、一対の基板２、７のうち一方の、例えば第２の基板７に対して、第２の電極６の一部を外部に露出させる貫通孔１が形成されている。なお、本実施形態における貫通孔１は、電極６のうち、ｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４と対向していない部分を外部に露出させているが、電極６のうちｐ型熱電変換素子３と対向する部分や、ｎ型熱電変換素子４と対向する部分を外部に露出させるものでも構わない。
【００３３】
貫通孔１の径は、後述する導通試験用のプローブが挿入できる径であれば特に限定されないが、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、径の最大値は、電極よりも小さければよいが、ある程度貫通孔１の径を大きくすることにより、電極と基板との間に生じる熱応力を緩和し、熱電変換モジュールの破壊を抑制する効果もある。
【００３４】
この貫通孔１は、例えば、予め電極６を形成した基板７に対して、電極６を形成した面の反対側からドリル等により電極６まで到達する孔を形成することによって製造できる。また、予め貫通孔１を形成した基板７に対して、貫通孔１を覆うように金属板を貼り付けて電極とすることもできる。
【００３５】
（評価方法）
熱電変換モジュール２０に対して、貫通孔１を介して一部が露出された電極６に対して抵抗測定器のプローブの一方を接触させ、他の電極、例えば、外部出力電極１１ａ，１１ｂに対して抵抗測定器のプローブの他端を接触させることにより、複数の電極６、８、及び複数のｐ型熱電変換素子３及びｎ型熱電変換素子４により構成される回路の一部の抵抗値等を測定することができる。具体的には、一部が露出された電極６と外部出力電極１１ａとの間の抵抗値と、一部が露出された電極６と外部出力電極１１ｂとの間の抵抗値を比較することにより、図１の右側左側のいずれかに不具合があるか、すなわち、不具合のある熱電変換素子並びに接合形成異常の生じている熱電変換素子と電極との接合面が存在する領域を判断することができる。
【００３６】
なお、ここで測定される抵抗値は、各プローブが接触した２枚の電極間における各熱電変換素子１０の抵抗値、電極６、８と熱電変換素子１０との各界面の接触抵抗値、及び、各電極６、８自身の抵抗値からなる合成抵抗値である。
【００３７】
また、ここで使用するプローブは、特に限定されないが、例えば、径が１０μｍ〜７５μｍ等の導電性の針状の物を使用できる。
【００３８】
このように、本実施形態によれば、第２の基板７に設けられた貫通孔１を通じて外部から第２の電極６に対してプローブを接触させることができるので、複数の電極６、８、複数のｐ型熱電変換素子３及び複数のｎ型熱電変換素子４により構成される回路の一部の電気抵抗を測定することができる。したがって、測定した抵抗値に基づいて、不具合が存在する領域を容易に特定することができる。
【００３９】
（第２実施形態）
（熱電変換モジュールの構成）
図２に、熱電変換モジュール２０の第２実施形態における断面図を示す。
【００４０】
第２実施形態に係る熱電変換モジュール２０が第１実施形態に係る熱電変換モジュール２０と異なる点は、第一の基板２に対して、第１の電極８の一部を外部に露出させる貫通孔１がさらに形成されている点である。
【００４１】
（評価方法）
本実施形態に係る熱電変換モジュール２０では、第１の基板２に設けられた貫通孔１を介して外部から第２の電極６に対してプローブを接触させることができる上に、第２の基板７に設けられた貫通孔１を介して外部から第１の電極８にもプローブを接触させることができる。したがって、さらに、外部からの接触が可能になった第１の電極８と外部からの接触が可能となった第２の電極６との間の抵抗値、この第１の電極８と外部出力電極１１ａ，１１ｂとの間の抵抗値を測定することができる。したがって、これらの抵抗値に基づいて、不具合のある熱電変換素子１０及び接合形成異常の生じている熱電変換素子１０と電極６、８とが存在する部分を、第１実施形態より具体的に特定することができる。
【００４２】
（第３実施形態）
（熱電変換モジュールの構成）
図３に、熱電変換モジュール２０の第３実施形態における断面図を示す。
第３実施形態に係る熱電変換モジュール２０が第２実施形態に係る熱電変換素子２０と異なる点は、一対の基板２、７の両方において、電極６、８の一部を外部に露出させる貫通孔１が電極毎に形成されている点である。
【００４３】
（評価方法）
このような熱電変換モジュール２０に対しては、各貫通孔１を介して外部から各電極６、８に対してプローブを接触させることができる。これにより、１つの熱電変換素子３、４を挟む一対の電極６、８間の抵抗値を測定することができる。すなわち、熱電変換モジュール２０の回路全体を構成する最小単位となる、１つの熱電変換素子１０及びその熱電変換素子１０を挟む二枚の電極６及び８により構成された単位回路毎に、電気抵抗を測定することができるのである。したがって、これらの抵抗値に基づいて、熱電変換素子本体の不具合並びに熱電変換素子と電極との接合形成異常の生じている部分を熱電変換素子毎に調べることができ、欠陥のある位置を極めて精密に特定することができる。
【００４４】
また、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０では、図４に示すように、多数のプローブを固定したプローブカード４２ａ，４２ｂを用いることにより、好適に単位回路の抵抗値を測定できる。
【００４５】
プローブカード４１ａは、基板４１に対して、複数のプローブ４０ａ〜４０ｃが立設されたものであり、プローブカード４１ｂは、基板４１に対して、複数のプローブ４０ｄ〜４０ｇが立設されたものである。各プローブカード４１ａ，４１ｂのプローブ４０ａ〜４０ｇは、各基板２、７の各貫通孔１の設置間隔に対応して各基板４１に設けられている。そして、プローブ４０ａ〜４０ｃと、プローブ４０ｄ〜４０ｇはマルチプレクサ５０ａ，５０ｂにそれぞれ接続され、任意のプローブからの信号を抵抗測定器６０の両端に供給可能となっている。
【００４６】
そして、これらのようなプローブカード４１ａ，４１ｂを使用すると、各プローブ４０ａ〜４０ｇと複数の電極６、８とを、各貫通孔１を介して同時に接触させた状態とすることができる。そして、マルチプレクサ５０ａ，５０ｂを利用して、任意のプローブ間の抵抗値をスキャンしながら迅速に測定することができる。例えば、プローブ４０ａとプローブ４０ｂとの間の抵抗値、プローブ４０ａとプローブ４０ｅとの間の抵抗値、…、プローブ４０ｃとプローブ４０ｇとの間の抵抗値を取得できる。これにより、不具合箇所の特定が極めて容易となる。
【００４７】
以上、本発明における好適な実施形態を具体的に示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４８】
例えば、第一実施形態や第二実施形態における貫通孔１を各基板において複数形成してもよいのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１実施形態に係る熱電変換モジュール２０の断面図である。
【図２】第２実施形態に係る熱電変換モジュール２０の断面図である。
【図３】第３実施形態に係る熱電変換モジュール２０の断面図である。
【図４】図３の熱電変換モジュールの抵抗値測定法の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…貫通孔、２…第１の基板、３…ｐ型熱電変換素子、４…ｎ型熱電変換素子、６…第２の電極、７…第２の基板、８…第１の電極、９…接合材、１０…熱電変換素子、１１…入出力端子、２０…熱電変換モジュール、４０ａ〜ｇ…プローブ。
【図１】
2009065044.tif 000003
【図２】
2009065044.tif 000004
【図３】
2009065044.tif 000005
【図４】
2009065044.tif 000006