JP2006108507A

JP2006108507A - 熱電変換装置

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Publication number: JP2006108507A
Application number: JP2004295234A
Authority: JP
Inventors: Matsuo Kishi; 松雄岸; Kosuke Yamamoto; 幸祐山本
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: JP4575106B2

Abstract

【課題】熱電変換素子の入出力電極と外部の電源等との接続および熱電変換素子とこれを取り付ける部材との接続方法は、別々に行われている。とくに、電気的な接続はリード線等手間のかかる取り付け方が行われている。さらに、熱電変換素子の小型化薄型化という点で、リード線による取り付けは、外部との接続というだけでなく、熱電変換素子と太いリード線の取り付け自体が困難になってきている。熱電変換素子の電気的および熱的な接続を容易に行うと同時に、小型薄型化への対応できる構造を提供する。
【解決手段】熱電変換素子を構成する２枚の基板のうち、すくなくとも一方の基板にスルーホール配線や端面配線を形成し、これを用いて基板内側にある電極を基板外面に引き回すことにより、熱電変換素子の基板外面より電力の入出力が可能となる構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却や加熱および温度差により発電を行う熱電変換素子からなる熱電変換装置に関する。

熱電変換素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを、金属を介して接合し、ＰＮ接合を形成することにより作製される。この熱電変換素子は、素子に電流を流すことにより、一方の接合対で冷却、他方の接合対で発熱が起こるいわゆるペルチェ効果を生じ、これを利用した冷却装置や精密温度制御装置などとして利用されている。

一般に、熱電変換素子は複数個の熱電エレメントと呼ばれる柱状のＰ型およびＮ型熱電材料片（以下、熱電エレメントと呼ぶ）とこれらを接合する金属電極を備えた２枚の基板により構成されている。Ｐ型及びＮ型熱電エレメントは２枚の基板に挟み込まれた状態で、一端面が一方の基板の金属電極に、他端面がもう一方の基板の金属電極にそれぞれ固着され、該金属電極を介してＰＮ接合対が形成されるとともに、ＰＮ接合対が直列につながれるようになっている。

このような構造をしている熱電変換素子への電力の供給あるいは取り出しを行うために、この熱電変換素子を構成する一方の基板には、はんだ等により単芯または撚線からなるリード線が取り付けられている。例えば、特許文献１に、このような例が記載されている。

一方、デジタルカメラやビデオカメラ等では、画像のセンシングにＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサー等の半導体を用いた固体撮像素子を用いているが、これらの半導体を用いたイメージセンサーは、温度上昇と共に暗電流が増化する。この暗電流の増化は、センシングした画像の画質の低下をもたらしている。

温度上昇による暗電流の増加を防ぐために、上記の半導体を用いたイメージセンサーを熱電変換素子で冷却することが行われている。このような例は、特許文献２に記載されている。
特開平３−２０１５７９号公報（２頁および６頁第１図）特開平２０００−１０１８８８号公報

しかしながら、熱電変換素子に取り付けられたリード線により、電力の供給あるいは取り出しを行う場合、電源をはじめとする外部の装置との接続が面倒であったり、取り付ける相手によっては直接取り付けられないといった問題があった。

さらに、熱電変換素子はその原理より、素子を構成する熱電エレメントの基板に平行な断面の断面積とエレメントの高さの比を一定に保てば、小型化、薄型化が可能であることから、近年、熱電変換素子の薄型化、小型化が進んでいる。リード線は、二枚の基板の間に収められた状態で一方の基板にはんだ等で取り付ける方法と、一方の基板に対し電極取り付け部分を大きくした基板に取り付ける方法があった。しかしながら、上述のように薄型化、小型化が進むにつれて、前者の取り付け方法では、リード線が入るのに十分な隙間が基板間に確保できないことが生じる。後者の取り付け方法では、リード線の太さや接合に使用するはんだの盛り上がりにより、リード線を取り付けた基板に対向するもう一方の基板よりこれらが高くなってしまうことが生じる。この場合、熱電変換素子を取り付ける部材とリード線が接触していまい、熱電変換素子と部材との取り付けがうまく出来なくなってしまうという問題があった。図１０に従来の熱電変換素子の概略図を示す。図１０（ａ）は、従来の熱電変換素子の概略のうち、断面を示す図であり、図１０（ｂ）は上面より見た図を示す図である。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。

本発明の熱電変換素子は、Ｐ型熱電材料からなる複数のＰ型熱電エレメントと、Ｎ型熱電材料からなる複数のＮ型熱電エレメントとこれらＰ型及びＮ型の異種熱電エレメントを一対ずつ接合してＰＮ接合対を形成可能とする金属等からなる電極を有する第１基板と第１基板とともに、前記Ｐ型およびＮ型熱電エレメントを挟む状態に配置され、PN接合対を形成可能とする金属等からなる電極を有する第２基板とから構成されており、この熱電変換素子の入出力電極が上記第１基板および第２基板の少なくとも一方の基板で、上記エレメントを挟む面とは反対側の面に引き出されている。これにより、熱電変換素子への電力の入力あるいは、熱電変換素子からの電力の取り出しは、第１基板あるいは第２基板の外面より行うことができるようになる。

また、本発明の熱電変換素子の入出力電極の基板外面への引き回しを第１基板あるいは第２基板に設けられたスルーホールまたは基板の端面より行うようにしてある。これにより、リード線などの特別な配線を用いず入出力電極を基板の内面から外面へ引き回すことができる。

また、本発明の熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面がメタライズされ、このメタライズされた部分がエレメントを挟む面より引き回された入出力電極と接続されている。これにより、このメタライズ部がペルチェ素子の入出力電極となる。

また、本発明の熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面に、電気的に分割された複数のメタライズ部が形成され、このメタライズ部の１つもしくは複数にエレメントを挟む面より引き回された入出力電極が電気的に接続されている。これにより、入出力電極と同時に、入出力電極とは電気的に分離されたメタライズ部が基板の外面に形成される。

また、本発明の熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板のいずれか一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材としている。この場合、樹脂は耐熱性を有するものが好ましいく、その厚みは、薄ければ薄いほど良い。熱伝導などを考慮すると樹脂層の厚みは、０．１マイクロｍから１００マイクロｍ程度が好ましい。

また、本発明の熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板のいずれか一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とし、銅が積層されている。この銅層は、熱伝導が低い樹脂からなる基材からの熱を受け、この熱を拡散する。また、この銅層を利用して、熱電変換素子に取り付けられる部材への接着、接合性を高めることができる。たとえば、はんだ等による接続が可能となる。

本発明によれば、熱電変換素子の入出力用の電極が熱電変換素子を構成する基板の外面に引き出されるので、内面側からのリード線による配線による電力供給だけでなく、外面より、電力を供給できるようになるので、配線に自由度を持たせることができる。

また、熱電変換素子の基板に設けたスルーホールまたは基板の端面を利用して、内面側から入出力電極を外面に引き回すことにより、不必要な配線を取り付けることなく引き回しができると同時に、基板作製時に同時にこの引き回し配線を形成することができるので、製造上のコストが下げることができる。

基板内面より引き回された配線が、外面に設けられたメタライズ部に接続されることにより、熱電変換素子への電力供給もしくは熱電変換素子からの電力出力を外面から行うことが可能となる。このメタライズ部を熱電変換素子へ接続するための配線を施したプリント配線基板などにはんだ等の導電性を有する接合剤で接続することにより電力をプリント配線基板などから供給もしくは出力することができるようになるので、熱電変換素子と外部との電気的な接続を容易にする。さらに、外面メタライズ部の構造を適宜設計することにより、熱電変換素子に対する熱接続も向上することができる。すなわち、電気と熱の接続を同時に行うことができるようになる。

熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面に、電気的に分割された複数のメタライズ部が形成され、このメタライズ部の１つもしくは複数にエレメントを挟む面より引き回された入出力電極が電気的に接続されていることにより、入出力電極と同時に、入出力電極とは電気的に分離されたメタライズ部が基板の外面に形成される。これにより、入出力電極と接続されたメタライズ部はあらかじめ配線をほどこしたプリント配線基板等に接続し、電気的に接続されないメタライズ部を熱が流出入する部材、たとえば被温度制御部材や放熱を行うための部材へ直接はんだ等の接合剤により、同時に接続できる。これにより、放熱性、温度制御性を高めると同時に熱電変換素子への電力の入出力を容易に行えるようになり、製造においても非常に効率が高まる。

熱電変換素子を構成する第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板を構成する部材を樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とすることにより、スルーホールや端面配線による基板内面から基板外面への配線の引き回しをしやすくする。また、樹脂等は熱電変換素子を構成する電極材料や熱電材料と熱膨張率がセラミックス等の無機材料とくらべ非常に近いので、製造上におけるはんだ接合等における熱的な衝撃や使用時における熱ひずみに対して有効に働く。なお、厚みについては、熱伝導率を考慮すると、０．１μｍから１００μｍ程度が好ましい。

熱電変換素子を構成する第１基板もしくは第２基板のいずれか一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とし、銅が積層されている。この銅層は、熱伝導が低い樹脂からなる基材からの熱を受け、この熱を拡散する。また、この銅層を利用して、熱電変換素子に取り付けられる部材への接着、接合性を高めることができる。たとえば、はんだ等による接続が可能となる。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係わる熱電変換素子について、図面を参照にして説明する。図１（ａ）は本発明である熱電変換素子の概略断面図である。また、図１（ｂ）は、この熱電変換素子を第２基板３方向よりみた概略図面である。この熱電変換素子は、熱電材料からなる熱電エレメント１がアルミナからなる第１基板２とアルミナからなる第２基板３により挟まれた構造をとっている。第１基板２および第２基板３の熱電エレメント１側の面には、ＰＮ接合をおこなうための電極４が形成されている。第１基板２にはこのＰＮ接合を行うための電極４のうち両端が入出力電極５を兼ねている。第１基板２には、スルーホール穴６が形成されている。このスルーホール６内はメタライズされており、外面のメタライズ部７へと一体化されており、電気的に接続がとられている。

図２は第１基板の外面の構造を示した図である。熱電変換素子の二つの電極をスルーホール６ａおよびスルーホール６ｂを通して、外面に引き出しメタライズ部７ａおよびメタライズ部７ｂへ接続しているおり、これらのメタライズ部７ａおよびメタライズ部７ｂが各々熱電変換素子の入出力電極となっている。このうち、図２（ａ）では、それぞれのメタライズ部が同じ形状をしており、熱電変換素子を構成しているエレメント１の下までそれぞれ伸びた構造をとっている例である。図２（ｂ）は一方のメタライズ部７ａは、熱電変換素子を構成しているエレメント１の下まで至っておらず、メタライズ部７ｂがエレメント１の下まで広がっている構造をとっている例である。

さらに、図３は、入出力電極につながるメタライズ部７ａおよびメタライズ部７ｂとは別に独立したメタライズ部８ａまたはメタライズ部８ｂを形成した例である。図３ａでは、入出力電極につながるメタライズ部７ａおよび７ｂは、スルーホール６ａおよびスルーホール６ｂの近傍のみに形成されており、独立したメタライズ部８ａはメタライズ部７ａおよびメタライズ部７ｂから、第１基板２のエレメント１設置部の下に形成されている。図３（ｂ）は、独立したメタライズ部８ｂがスルーホール６ａおよびスルーホール６ｂの近傍にのみ形成されたメタライズ部７ａおよびメタライズ部７ｂの間にまで広げた例である。

第１基板１の外面メタライズ部の形状等については、図２および図３に示した以外にも考えられるが、熱電変換素子が取り付けられる部材の形状等によりメタライズ部７ａ、７ｂおよび独立したメタライズ部８ａ、８ｂの形状、大きさ、メタライズ層の材質等は変わることはいうまでもない。また、第１実施形態では、第１基板２の内面と外面の接続をスルーホール６により行ったが、図４に示したように、第１基板２の端面に端面メタライズ部９を設けることにより内面と外面の接続を行うこともできる。

図５は本実施形態で作製した熱電変換素子を実際に対象物に取り付けた例である。熱電変換素子１０は、第１基板２側で入出力行うための配線１１を形成してある部材１２とはんだ１３により接続されている。この場合、部材１２の材質はすくなくとも配線１１の部分では絶縁物である必要があるが、全体としては、その材質、性状、機能を問うものではない。一方、第２基板３に部材１４が搭載されている。第２基板３と部材１４との接続は、熱伝導性グリースなどで行われるが、第２基板３の外面にメタライズを施しておけば、部材１４がはんだ付け可能なものであれば、はんだ付けをおこなってもよい。はんだ付けが可能な場合、熱電変換素子１０の取り付けは、電気的、熱的な接続は一回のハンダ付けで可能になりうるので非常に効率が上がる。取り付けられた熱電変換素子１０は、冷却素子として使用する場合と発電変換素子として使用する場合がある。

この熱電変換素子１０は、発電および冷却として使用することができるが、いずれの場合においても、部材１２、部材１４のいずれが高温側、低温側であっても良い。

（第２実施形態）
次に、本発発明に係わる第２実施形態について説明する。

本実施形態では、第１基板２ａにポリイミド樹脂を使い、第２基板３ａにアルミナを用いている。図６に第２実施形態に係わる熱電変換素子の概略断面図を示す。ポリイミド樹脂はアルミナ等のセラミックス材料等と比べると、熱伝導率の高さの点で劣っているが、加工性、柔軟性、強度等の点で優れている。ポリイミド樹脂の厚みをできる限り薄くすることにより熱抵抗を下げるようにする。厚みは０．１μｍから１００μｍ程度が好ましい。ポリイミド樹脂層の厚みが薄い場合は、メタライズ部となる銅箔上に液状のポリイミド樹脂を塗布し硬化することによりポリイミド樹脂層を形成する。厚い場合は、フィルム状のポリイミド樹脂を銅等の金属でメタライズすればよい。ポリイミド樹脂と銅等の金属が積層された部材を作製したのち、穴あけ加工、めっき、フォトリソグラフィー等の技術を用いることによりＰＮ電極、メタライズ部等を形成すれば容易に第１基板２ａを作製することができる。一方の第２基板３ａは、アルミナ上へのめっきとフォトリソグラフィー技術により容易に作製する。第１基板２ａと第２基板３ａとの間に挟まれる熱電材料としてビスマス・テルル系材料を使用する場合、ビスマス・テルルのエレメント端面にニッケルメッキを施しておき、ＰＮ接合を行うための電極４にはんだ付けすることにより熱電変換素子を作製する。

このようにして作製された熱電変換素子を冷却素子として使用する場合、入力電極が形成されている第１基板２ａを冷却側として用いることが好ましい。冷却素子として熱電変換素子を使用する場合、冷却側基板を通過する熱量は、放熱側基板を通過する熱量より、かなり小さくなる。熱伝導に劣るポリイミド樹脂等の有機材料を基板として使用する場合、極力通過する熱量を小さくすることにより発生する温度差を小さくできるので、本形態の場合第１基板２ａを冷却側にすることにより性能をより高く発揮できる。

また、第１基板および第２基板を構成する基材の材質違いに対する組み合わせは、任意行うことができる。図７（ａ）は第１基板および第２基板の両方に樹脂製基材を用い、第２基板３ｂの外面にメタライズ部１５を形成し、第２基板３ｂをはんだによる外部部材との接続を可能としたものである。図７（ｂ）は第１基板にアルミナ基板を用い、第２基板に外面にメタライズ部１５を形成した樹脂製基材を用いた例を示した図である。

第１基板外面のメタライズ部１５の配置については、図２および図３に示したものなどが使えることは、第１実施形態と同様である。
（第３実施形態）
本発発明に係わる第３実施形態について説明する。

図８は、第３実施形態に係わる熱電変換素子の縦断面の概略図である。
第１基板２ｄおよび第２基板３ｄにいずれにもスルーホール６ｄ、６ｅを形成し、熱電変換素子の入出力電極５ａおよび５ｂを第１基板２ｄおよび第２基板３ｄにおのおの別々の基板に形成する。図９（ａ）から（ｃ）は第１基板２ｄの外面のメタライズ部の配置を示した図である。第２基板３ｄについても、スルーホール６ｅの位置が異なるだけで、実質的な配置は図９（ａ）から（ｃ）と同様である。

この構造によると、熱電変換素子の入出力電極の一方を高温側、他方を低温側となる。あらかじめ、熱電変換素子を取り付ける部材に接続用配線を施しておけば、はんだ等容易に接続できる。一方の基板に両方の電極を設けた場合とことなり、部材との接続時に、はんだ等の流れによる電気的なショートを防ぐことができる。

本発明の第１実施形態に係わる熱電変換素子の概略を示した図である。本発明の第１実施形態の第１基板の外面の入出力電極につながるメタライズ部を示した図である本発明の第１実施形態の第１基板の外面の入出力電極につながるメタライズ部と独立したメタライズ部を示した図である本発明の第１実施形態の第１基板の端面に端面メタライズ部を設けることにより内面と外面の接続を行った熱電変換素子の概略断面を示した図である。本発明の第１実施形態で作製した本発明の熱電変換素子を対象物に取り付けた例を示した図である。本発明の第２実施形態に係わる熱電変換素子の概略断面を示した図である。本発明の第２実施形態における熱電変換素子を構成する第１基板と第２基板の組み合わせを変えた場合の熱電変換素子の概略断面を示す図である。本発明の第３実施形態に係わる熱電変換素子の概略断面を示した図である。本発明の第３実施形態の熱電変換素子を構成する第１基板の外面メタライズ部の配置を示した図である。本発明と対比するための従来の熱電変換素子の概略を示した図である。

符号の説明

１・・・熱電エレメント
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ・・・第１基板
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ・・・第２基板
４・・・ＰＮ接合を行うための電極
５・・・入出力電極
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ・・・スルーホール
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ・・・外面メタライズ部
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ・・・独立したメタライズ部
９・・・端面メタライズ部
１０・・・熱電変換素子
１１・・・入出力を行うための配線
１２・・・熱電変換素子に取り付けられる部材
１３・・・はんだ
１４・・・熱電変換素子に取り付けられる部材
１５・・・メタライズ部
１６・・・リード線

Claims

Ｐ型熱電材料からなる複数のＰ型熱電エレメントと、
Ｎ型熱電材料からなる複数のＮ型熱電エレメントと、
これらＰ型及びＮ型の異種熱電エレメントを一対ずつ接合してＰＮ接合対を形成可能とする電極を有する第１基板と、
該第１基板とともに、前記Ｐ型およびＮ型熱電エレメントを挟む状態に配置され、PN接合対を形成可能とする電極を有する第２基板とを備えた熱電変換素子において、この熱電変換素子の入出力電極が上記第１基板および第２基板の少なくとも一方の基板で、上記エレメントを挟む面とは反対側の面に引き出されていることを特徴とする熱電変換装置。
上記熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面から反対の面への電極の引き回しが、基板に設けられたスルーホールによりなされていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
上記熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面から反対の面への電極の引き回しが、基板の端面よりなされていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
上記熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面がメタライズされ、このメタライズされた部分がエレメントを挟む面より引き回された入出力電極と接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の熱電変換装置。
上記熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方の基板において、エレメントを挟む面と反対側の面に、電気的に分割された複数のメタライズ部が形成され、このメタライズ部の１つもしくは複数にエレメントを挟む面より引き回された入出力電極が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の熱電変換装置。
上記熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材としていることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の熱電変換装置。
上記熱電変換素子の第１基板もしくは第２基板の少なくとも一方が、樹脂または樹脂を主成分とする材料を基材とし、この基材に銅が積層されていることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の熱電変換装置。