JP2004055994A

JP2004055994A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2004055994A
Application number: JP2002214088A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Suzuki; 鈴木　康弘
Original assignee: Okano Electric Wire Co Ltd
Current assignee: Okano Electric Wire Co Ltd
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】例えば熱電変換モジュールに通電手段等を接続するリード線等の接続作業性が良好であり、小型で安価な熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】上下に間隔を介して対向配置された第１の基板６と第２の基板７を設け、これら第１と第２の基板６，７の対向表面には複数の電極２を互いに間隔を介して、かつ、電極２の位置を互いにずらした状態で形成する。第１の基板６と第２の基板７の間には複数の熱電変換素子５を立設配置し、熱電変換素子５を、対応する電極２を介して接続して熱電変換素子５の接続回路を形成する。第１の基板６に貫通穴３を形成し、貫通穴３に端子ピン１を挿通し、端子ピン１の下端側は第２の基板７に形成された熱電変換素子５の接続回路の端部に位置する電極２ａに導通し、端子ピン１の上端側は第１の基板６から上側に突出させる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
例えば図５に示すようなペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられている。熱電変換モジュールは、上下に互いに間隔を介して対向配置された第１の基板６と第２の基板７の間に、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を立設配置して形成されている。
【０００３】
なお、本明細書において、「上下に互いに間隔を介して対向配置された第１の基板と第２の基板」という表現における上下は、図５に示すような姿勢の状態における上下を意味しており、熱電変換モジュールを使用するときの姿勢は問わない。
【０００４】
第１、第２の基板６，７は、電気絶縁性を有するアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のセラミック製の基板であり、第１、第２の基板６，７の対向表面には複数の導通用の電極２が互いに間隔を介し、かつ、電極２の位置を互いにずらした状態で形成されている。
【０００５】
前記熱電変換素子５は対応する電極２を介して直列に接続されており、熱電変換素子５の接続回路が形成されている。なお、熱電変換素子５は、例えば図示されていない半田によって電極２に固定されている。
【０００６】
熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは交互に配置され、電極２を介して直列に接続されてＰＮ素子対が形成されている。
【０００７】
Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂは、それぞれ、例えばビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモン、セレン等の元素を添加することにより形成されている。１つの熱電変換素子５は直径０．６〜３ｍｍ程度、長さ０．５〜３ｍｍ程度である。また、前記基板６，７は、例えば厚さ３ｍｍ程度に形成されている。
【０００８】
第２の基板７に形成された、熱電変換素子５の接続回路の端部に位置する電極２（２ａ）にはリード線１０が半田９により半田付けされて接続されている。この熱電変換モジュールにおいて、通電手段（図示せず）によってリード線１０から電極２ａに電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電流が流れる。
【０００９】
そして、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）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いわゆるペルチェ効果が生じる。
【００１０】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が発熱せしめられると、この熱が第１の基板６を介して、第１の基板６の上側に設けられた部材に伝えられ、この部材の加熱が行われる。また、その逆に、ペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の例えば上端部が冷却せしめられると、第１の基板６を介し、第１の基板６の上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の熱電変換モジュールは、リード線１０の接続作業性が良好でないといった問題があった。つまり、図５に示した熱電変換モジュールにおいては、リード線１０は、第１と第２の基板６，７に挟まれた狭い領域に形成されている第２の基板７の表面の電極２ａに、半田９によって接続されるものであり、その作業は容易でなかった。
【００１２】
そこで、例えば図６に示すように、いずれかの基板６，７（ここでは第１の基板６）にスルーホール１３を設け、このスルーホール１３を電極２に導通させる構成が提案された。
【００１３】
この構成においては、例えば電極２が形成されていない側の第１の基板６の表面（基板の上面）１１に、前記スルーホール１３に導通させて導電性パターン４を形成し、この導電性パターン４にリード線１０を半田固定することができる。このリード線１０の半田固定作業は、電極２ａにリード線１０を半田固定する作業に比べて容易にできる。
【００１４】
しかしながら、スルーホール１３を形成すると第１の基板６のコストが高くなり、その結果、熱電変換モジュールのコストも高くなってしまうといった問題が生じた。
【００１５】
また、例えば熱電変換モジュールに前記通電手段の電源等をコネクタ接続できると、電源等と熱電変換モジュールとの接続を非常に容易に行うことができるが、このコネクタ接続を図５、図６に示したような熱電変換モジュールに適用しようとすると、このコネクタを熱電変換モジュールと外部接続する、あるいは、コネクタ端子を設けるために第１、第２の基板６，７を大きく形成することが必要となる。
【００１６】
したがって、図５、図６に示したような熱電変換モジュールにおいてコネクタ接続を行おうとすると、装置の大型化等を招くことになるため、熱電変換モジュールと電源等のコネクタ接続の実現は難しかった。
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、電極と通電手段とを接続するリード線等の部品の接続作業性が良好であり、小型で安価な熱電変換モジュールを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、上下に間隔を介して対向配置された第１の基板と第２の基板を有し、これら第１と第２の基板の対向表面には複数の電極が互いに間隔を介して、かつ、電極の位置を互いにずらした状態で形成されており、前記第１の基板と第２の基板の間には複数の熱電変換素子が立設配置され、該熱電変換素子が対応する電極を介して接続されて熱電変換素子の接続回路が形成されており、前記第１の基板には貫通穴が形成されて該貫通穴に端子ピンが挿通し、該端子ピンの下端側は第２の基板に形成された前記熱電変換素子の接続回路の端部に位置する電極に導通し、前記端子ピンの上端側は前記第１の基板から上側に突出している構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１９】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記第１の基板から突出した端子ピンの突出先端側には、貫通穴よりも広い面積を有する半田付け面が形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２０】
さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記第１の基板の電極形成面と反対側の面には、半田着け用の導電性パターンが形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２２】
図１の（ａ）には、本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例が側面図により模式的に示されている。本実施形態例の熱電変換モジュールは、図５に示した熱電変換モジュールとほぼ同様に構成されており、本実施形態例が従来例と異なる特徴的なことは、第１の基板６の上側に突出させて端子ピン１を設けたことである。
【００２３】
つまり、本実施形態例では、第１の基板６に貫通穴３が形成されて、該貫通穴３に端子ピン１が挿通し、該端子ピン１の下端側は第２の基板６に形成された前記熱電変換素子５の接続回路の端部に位置する電極２ａに導通し、端子ピン１の上端側が第１の基板６から上側に突出している。
【００２４】
端子ピン１の途中部は半田９によって第１の基板６に固定されており、端子ピン１の下端側は、半田９によって電極２ａに固定されている。図２の（ａ）、（ｂ）には、第１、第２の基板６，７の電極形成面がそれぞれ平面図により示されており、前記貫通穴３は第１の基板６の端部に２つ形成されている。
【００２５】
なお、端子ピン１を電極２ａに半田固定する際は、例えば熱電変換素子５を電極２に半田固定する作業と同様に、例えば半田９を設けた状態で、電極２ａの上に端子ピン１を配置し、加熱炉内で半田を溶融させることにより容易に行うことができる。
【００２６】
また、本実施形態例においては、図１の（ｂ）に示すように、第１の基板６の電極形成面と反対側の面（第１の基板６の上面）１１には、半田着け用の導電性パターン４（４ａ，４ｂ）が形成されている。これらの導電性パターン４ａ，４ｂは互いに間隔を介して形成されている。
【００２７】
また、第１の基板６の上面１１には、金属膜１４が形成されており、例えば第１の基板６の上側に、熱電変換モジュールによって冷却または加熱される金属製の部材を設ける場合に、この部材を半田固定または溶接固定可能としている。
【００２８】
本実施形態例は以上のように構成されており、端子ピン１が第１の基板６の上側に突出形成されているので、例えば熱電変換モジュールをコネクタ接続しようとする場合は、第１の基板６から突出した端子ピン１の突出部位に容易にコネクタ接続を行うことができるし、リード線１０を接続する場合も、上記端子ピン１の突出部位に容易に接続することができる。そのため、本実施形態例は、前記コネクタ接続やリード線１０の接続の自動化を図ることができる。
【００２９】
また、本実施形態例において、第１の基板６に形成した貫通穴３はスルーホール１３ではないので、その形成は容易であり、安価で小型の熱電変換モジュールを実現できる。
【００３０】
さらに、本実施形態例では、第１の基板６の電極形成面と反対側の面１１に、半田着け用の導電性パターン４（４ａ，４ｂ）が形成されているので、例えば図１の（ｂ）の鎖線に示すように、導電性パターン４（４ａ，４ｂ）を利用してリード線１０を第１の基板６に接続することもできる。
【００３１】
この場合も、リード線１０の取り付けは、第１の基板６の電極形成面ではなく、第１の基板６の上面１１に行われるので、その固定作業は容易であり、効率的にリード線１０の固定を行うことができる。
【００３２】
図３には、本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例が側面図により示されている。第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、第１の基板６から突出した端子ピン１の突出先端側に、貫通穴３よりも広い面積を有する半田付け面８が形成されていることである。
【００３３】
第２実施形態例は以上のように構成されており、上記第１実施形態例と同様の効果を奏することができる。
【００３４】
また、第２実施形態例は、端子ピン１の突出先端側に、貫通穴３よりも広い面積を有する半田付け面８が形成されているので、例えばリード線１０を半田付け面８に半田付けして、非常に効率的に固定することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、第１の基板６から上側に突出している端子ピン１の長さや形状は特に限定されるものではなく適宜設定されるものであり、例えば図４の（ａ）に示すように、端子ピン１の突出部位の長さが短くてもよい。また、図４の（ｂ）に示すように、端子ピン１の突出部位がＬ字形状を呈していて、半田付け面８が形成されていてもよい。
【００３６】
また、上記各実施形態例では、第１の基板６の上面１１に導電性パターン４と金属膜１４を形成したが、導電性パターン４や金属膜１４は省略することができる。特に、端子ピン１の突出部位に半田付け面８を形成した構成は、リード線１０を半田付け面８に半田付けしやすいので、導電性パターン４を省略しても、リード線１０の取り付けを非常に容易に行うことができる。
【００３７】
さらに、上記各実施形態例では、端子ピン１を電極２ａや第１の基板６に固定する際、半田により固定したが、接着剤によって端子ピン１を電極２ａや第１の基板６に固定してもよい。
【００３８】
さらに、上記各実施形態例では、熱電変換素子５を半田によって電極２に固定したが、熱電変換素子５を接着剤によって電極２に固定してもよい。
【００３９】
さらに、上記説明は、いずれもペルチェ効果によって、熱電変換モジュールが冷却・加熱を行う例について説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールにも適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、第１の基板の上側に端子ピンを突出形成しているので、例えば熱電変換モジュールをコネクタ接続しようとする場合は、上記端子ピンの第１の基板からの突出部位に容易にコネクタ接続を行うことができるし、リード線を接続する場合も、上記端子ピンの突出部位に容易にコネクタ接続を行うことができ、これらの接続の自動化が可能な小型の熱電変換モジュールを実現できる。
【００４１】
また、本発明において、第１の基板に形成する端子ピン挿通用の貫通穴はスルーホールとする必要はないので、貫通穴を容易に形成でき、安価な熱電変換モジュールを実現できる。
【００４２】
さらに、本発明において、第１の基板から突出した端子ピンの突出先端側には、貫通穴よりも広い面積を有する半田付け面が形成されている構成によれば、半田付け面を利用してリード線等を半田固定できるので、リード線等の接続をより一層効率的に行うことができる。
【００４３】
さらに、本発明において、第１の基板の電極形成面と反対側の面に、半田着け用の導電性パターンが形成されている構成によれば、導電性パターンを利用してリード線を第１の基板に接続することもでき、必要に応じて適宜の接続形態を選択し、実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの第１実施形態例の要部構成を示す側面図（ａ）と平面図（ｂ）である。
【図２】上記熱電変換モジュールの基板の電極形成面を示す説明図である。
【図３】本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例を示す要部構成図である。
【図４】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例を示す説明図である。
【図５】従来の熱電変換モジュールの例を側面図により示す説明図である。
【図６】従来提案された熱電変換モジュールの例を斜視図により示す説明図である。
【符号の説明】
１　端子ピン
２　電極
３　貫通穴
４　導電性パターン
５，５ａ，５ｂ　熱電変換素子
６　第１の基板
７　第２の基板
８　半田付け面
９　半田
１０　リード線
１１　面

Claims

上下に間隔を介して対向配置された第１の基板と第２の基板を有し、これら第１と第２の基板の対向表面には複数の電極が互いに間隔を介して、かつ、電極の位置を互いにずらした状態で形成されており、前記第１の基板と第２の基板の間には複数の熱電変換素子が立設配置され、該熱電変換素子が対応する電極を介して接続されて熱電変換素子の接続回路が形成されており、前記第１の基板には貫通穴が形成されて該貫通穴に端子ピンが挿通し、該端子ピンの下端側は第２の基板に形成された前記熱電変換素子の接続回路の端部に位置する電極に導通し、前記端子ピンの上端側は前記第１の基板から上側に突出していることを特徴とする熱電変換モジュール。
第１の基板から突出した端子ピンの突出先端側には、貫通穴よりも広い面積を有する半田付け面が形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
第１の基板の電極形成面と反対側の面には、半田着け用の導電性パターンが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電変換モジュール。