JP2009206501A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電モジュールを小型化した場合、隣り合う熱電素子の間隔が小さくなるため、隣り合う熱電素子の間で電気的な短絡が起きる可能性が高かった。
【解決手段】 熱電モジュール１は、第１の表面１１１ａを有する第１の基板１１ａと、第１の表面１１１ａと対向する第２の表面１１１ｂを備える第２の基板１１ｂと、第１の表面１１１ａ及び第２の表面１１１ｂのそれぞれに当接して配列された複数の熱電素子３と、第１の表面１１１ａ及び第２の表面１１１ｂに配設されかつ複数の熱電素子３の一つ以上に接続される複数の電極５，７と、第１の表面１１１ａ及び第２の表面１１１ｂの少なくとも一方に配設されたグランド電極９とを備え、複数の電極５，７は、第１の表面１１１ａ及び第２の表面１１１ｂの少なくとも一方において、２以上が長さ方向に並んでなる複数の列３０を備え、グランド電極９は複数の列３０のうち隣り合う２つの列の間に位置する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱電モジュールに関する。より詳しくは、例えば、空調機、冷温庫、半導体製造装置、光検出装置、レーザダイオード等の温度調節等に使用される熱電モジュールに関する。

従来の熱電モジュールとしては、例えば、特許文献１に開示されている。近年、熱電モジュールには、高い熱電特性を有するとともに、小型化することが求められている。

特開2001−119076号公報

しかしながら、熱電モジュールを小型化した場合、隣り合う熱電素子の間隔が小さくなると、直接接続されていない熱電素子間の電位差に起因して、この隣り合う熱電素子の間で電気的な短絡が起きる可能性があった。

本発明の熱電モジュールは、第１の基板と、前記第１の基板の第１の表面と所定の距離を隔てて対向する第２の表面を備える、第２の基板と、前記第１の表面および前記第２の表面のそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、前記第１の表面および前記第２の表面に配設されかつ前記複数の熱電素子の一つ以上に接続される、複数の電極と、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に配設されたグランド電極とを備える熱電モジュールであって、前記複数の電極は、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方において、２以上が長さ方向に並んでなる、複数の列を備え、前記グランド電極は、前記複数の列のうち隣り合う２つの列の間に位置することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記グランド電極は、前記隣り合う２つの列が対向している長さ領域に渡って延在することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記グランド電極を被覆する被覆部材をさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記被覆部材は、前記隣り合う２つの列の間を充填するように延在することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記複数の熱電素子は、複数のＰ型熱電素子と複数のＮ型熱電素子とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記複数の電極は、それぞれが前記複数のＰ型熱電素子の一つおよび前記複数のＮ型熱電素子の一つに接続され、前記複数のＰ型熱電素子および前記複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記複数の電極はそれぞれ、その長さ方向の第１の端部で前記複数のＰ型熱電素子の一つと接続され、第２の端部で前記複数のＮ型熱電素子の一つに接続されることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記グランド電極は、隣り合う前記複数のＰ型熱電素子の一つと前記複数のＮ型熱電素子の一つとの間に位置することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記グランド電極における通電方向は、前記複数の電極のうち前記グランド電極と隣り合う電極における通電方向と平行であることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記グランド電極に接続されたサーミスタをさらに備えることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記サーミスタは、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に配設されることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、前記サーミスタは、前記複数の列のうち隣り合う２つの列の間に位置することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記複数の電極のそれぞれは長方形であることを特徴とするものである。

本発明の熱電モジュールによれば、第１の基板と、第１の基板の第１の表面と所定の距離を隔てて対向する第２の表面を備える、第２の基板と、第１の表面および第２の表面のそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、第１の表面および第２の表面に配設されかつ複数の熱電素子の一つ以上に接続される、複数の電極と、第１の表面および第２の表面の少なくとも一方に配設されたグランド電極とを備える熱電モジュールであって、複数の電極は、第１の表面および第２の表面の少なくとも一方において、２以上が長さ方向に並んでなる、複数の列を備え、グランド電極は、複数の列のうち隣り合う２つの列の間に位置することから、隣り合う熱電素子の間での電流が短絡する可能性を低減することができる。

これは、たとえ、隣り合う熱電素子間でリーク電流が生じたとしても、上記のグランド電極がアースとして作用するからである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、グランド電極は、隣り合う２つの列が対向している長さ領域に渡って延在するときには、隣り合う熱電素子の間での電流が短絡する可能性をより低減することができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、グランド電極を被覆する被覆部材をさらに備えるときには、グランド電極の劣化を抑制することができるので、熱電モジュールの長時間の使用に対しても、グランド電極を安定したアースとして用いることができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、被覆部材は、隣り合う２つの列の間を充填するように延在するときには、グランド電極と電極との間にリーク電流が生じること自体を抑制することができるので、長期間にわたる熱電モジュールの使用においても、熱電特性が低下することをより確実に抑制できる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、複数の熱電素子は、複数のＰ型熱電素子と複数のＮ型熱電素子とを備えるときには、複数の熱電素子における一方の端部が発熱部となり、他方の端部が冷却部となる、発熱・冷却の併用が可能な熱電モジュールとすることができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、複数の電極は、それぞれが複数のＰ型熱電素子の一つおよび複数のＮ型熱電素子の一つに接続され、複数のＰ型熱電素子および複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続するときには、複数の熱電素子における一方の端部が発熱部となり、他方の端部が冷却部となる、発熱・冷却の併用が可能な小型の熱電モジュールを容易に構成することができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、複数の電極はそれぞれ、その長さ方向の第１の端部で複数のＰ型熱電素子の一つと接続され、第２の端部で複数のＮ型熱電素子の一つに接続されるときには、複数のＰ型熱電素子および複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続することが容易なものとなる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、グランド電極は、隣り合う複数のＰ型熱電素子の一つと複数のＮ型熱電素子の一つとの間に位置するときには、もともと互いに電気的に独立したＰ型熱電素子の一つとＮ型熱電素子の一つとの間の絶縁を保つことができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、グランド電極における通電方向は、複数の電極のうちグランド電極と隣り合う電極における通電方向と平行であるときには、隣り合う電極間での電気的な短絡を抑制することができる。また、熱電モジュールを、高周波回路、特に変調器の冷却用として用いる場合、高周波回路、特に変調器において発生する高周波成分が、ノイズ信号として熱電モジュールの回路に加わることを抑制することができる。その結果、熱電モジュールの熱電性能を向上させることができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、グランド電極に接続されたサーミスタをさらに備えるときには、グランド電極をサーミスタの回路の一部として用いることができるとともに、リーク電流が生じた場合であってもサーミスタの測定精度の低下を抑制できる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、サーミスタは、第１の表面および第２の表面の少なくとも一方に配設されるときには、サーミスタによって熱電モジュールの温度を精度良く制御することができる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、サーミスタは、複数の列のうち隣り合う２つの列の間に位置するときには、例えば、サーミスタをグランド電極と接続させて設置することができ、これによって、グランド電極をサーミスタの回路の一部として用いることができるとともに、リーク電流が生じた場合であってもサーミスタの測定精度の低下を抑制できる。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、複数の電極のそれぞれの電極は長方形であるときには、複数のＰ型熱電素子および複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続することが容易な電極となる。特に、第１の基板および第２の基板に複数の電極を形成して立体回路状に複数のＰ型熱電素子および複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続することが容易なものとなる。

本発明の第１の実施形態にかかる熱電モジュールを示す部分切欠斜視図である。 図１に示す第１の実施形態にかかる熱電モジュールにおける基体の表面に対して平行な断面図である。 本発明の第２の実施形態にかかる熱電モジュールにおける基体の表面に対して平行な断面図である。 図３に示す第２の実施形態の変形例であって、基体の表面に対して平行な断面図である。 本発明の第３の実施形態にかかる熱電モジュールにおける基体の表面に対して平行な断面図である。 （ａ）は、図５に示す第３の実施形態にかかる熱電モジュールにおける基体の表面に対して垂直な断面図である。（ｂ）は、図６（ａ）に示す断面の、グランド電極が配置されている部分を拡大した拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態にかかる熱電モジュールにおける基体の表面に対して垂直な断面であって、グランド電極が配置されている部分を拡大した拡大断面図である。 図１に示す第１の実施形態にかかる熱電モジュールの変形例における基体の表面に対して平行な断面図である。

以下、本発明の熱電モジュールについて図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１および図２に本発明の第１の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。

本実施形態の熱電モジュール１は、一対の基体１１ａ，１１ｂ（第１の基板１１ａ，第２の基板１１ｂ）に挟持されている複数の熱電素子３と、一対の基体１１ａ，１１ｂの熱電素子３側の表面（第１の表面，第２の表面）のそれぞれに形成された、複数の熱電素子３を電気的に直列に接続する複数の長方形の電極５，７（第１の電極５，第２の電極７）とを具備しており、複数の電極５，７は、長さ方向に並んだ列３０を複数含んでおり、隣り合う列３０の間の基体１１ａ，１１ｂの表面に、複数の列３０のうち隣り合う２つの列の間に位置するグランド電極９が設けられている。

すなわち、熱電モジュール１は、第１の基板１１ａと、第１の基板１１ａの第１の表面１１１ａと所定の距離を隔てて対向する第２の表面１１１ｂを備える、第２の基板１１ｂと、第１の表面１１１ａおよび第２の表面１１１ｂのそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子３と、第１の表面１１１ａおよび第２の表面１１１ｂに配設されかつ複数の熱電素子３の一つ以上に接続される、複数の電極５，７と、第１の表面１１１ａおよび第２の表面１１１ｂの少なくとも一方に配設されたグランド電極９とを備える熱電モジュール１であって、複数の電極５，７は、第１の表面１１１ａおよび第２の表面１１１ｂの少なくとも一方において、２以上が長さ方向に並んでなる、複数の列３０を備え、グランド電極９は、複数の列３０のうち隣り合う２つの列の間に位置する。

上記の構成により、隣り合う熱電素子３の間での電流が短絡する可能性を低減することができる。これは、たとえ、隣り合う熱電素子３間でリーク電流が生じたとしても、グランド電極９がアースとして作用するからである。

また、熱電モジュール１は、グランド電極９は、隣り合う２つの列３０が対向している長さ領域に渡って延在することが好ましい。この場合、隣り合う熱電素子３の間での電流が短絡する可能性をより低減することができる。

また、第１の電極５は熱電素子３の一方の端部と電気的に接続され、第２の電極７は熱電素子３の他方の端部と電気的に接続されている。

（熱電素子）
本実施形態では、熱電素子３として、起電力がプラスを示すＰ型熱電素子３ａとマイナスを示すＮ型熱電素子３ｂの両方が用いられる。これらのＰ型熱電素子３ａおよびＮ型熱電素子３ｂは、間隔をあけて交互に配列され、隣り合うＰ型熱電素子３ａとＮ型熱電素子３ｂが第１の電極５および第２の電極７で接続されて、電気的に直列に接続される。

熱電素子３としては、熱電特性が高いものが好ましく、具体的には、Ｂｉ、Ｓｂ、ＴｅおよびＳｅの群から選択される２種以上の元素を含む合金が好適に用いられる。

熱電モジュール１に配設された複数の熱電素子３は、取出電極１９を介して外部電源と電気的に接続される。

複数の熱電素子３が、複数のＰ型熱電素子３ａと複数のＮ型熱電素子３ｂとを備えるときには、複数の熱電素子３における一方の端部が発熱部となり、他方の端部が冷却部となる、発熱・冷却の併用が可能な熱電モジュール１とすることができる。

（基体（第１の基板））
基体（第１の基板）１１ａは、その表面（第１の表面１１１ａ）に、第１の電極５およびグランド電極９を固定できる。これにより、第１の電極５およびグランド電極９の間隔が安定するので、リーク電流や放電が生じる可能性を小さくすることができる。

基体１１ａには、例えば、アルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、ガラスセラミックス、耐熱プラスチックのような絶縁性を有するものを用いることができる。特に、安価で熱電素子３と熱膨張率が近いもの、例えばアルミナを主成分とするアルミナセラミックスから成る基体１１ａを用いることが好ましい。

基体１１ａには、第１の電極５およびグランド電極９が固定された第１の表面１１１ａとは反対側の表面に、熱伝導部材２１が配設されていてもよい。これによって、効率良く発熱または吸熱をすることができるので、熱電効率を高めることができる。熱伝導部材２１としては、基体１１ａよりも熱伝導性の高いものを用いることが好ましく、例えば、Ｃｕ、Ａｌなどの低抵抗金属を用いることができる。特に、熱伝導部材２１が第１の電極５と同じ材質であることが好ましい。この場合、両者の熱膨張率が同じであるので、第１の電極５と基体１１ａとの接合面および熱伝導部材２１と基体１１ａとの接合面に応力が集中することを抑制できる。

（グランド電極）
上述したように、グランド電極９は、第１の基板１１ａの表面（第１の表面１１１ａ）に配設されている。

また、グランド電極９は接地されているので、隣り合う第１の電極５の間の電位差よりも、グランド電極９と第１の電極５との間の電位差が大きい。そのため、隣り合う第１の電極５の間で短絡が生じる可能性を低減することができる。結果として、隣り合う第１の電極５のそれぞれに接続されている熱電素子３同士の間隔を小さくする事ができるため、熱電変換効率を低下させる事なく、熱電モジュール１を小型化する事が可能となる。それ故、例えば、熱電素子３間に冷却による結露が生じるような使用環境下であっても、リーク電流がグランド電極９を流れるため、結露に起因して熱電素子３間で電気的な短絡が発生することを抑制できる。

グランド電極９としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌなどのような導電性の高いものを用いることができる。また、基体１１ａ，１１ｂよりも熱伝導性の高いものを用いることが好ましい。これにより、グランド電極９を媒体として熱を伝導することができるので、基体１１ａ，１１ｂの熱分布のばらつきを小さくすることができるからである。

特に、グランド電極９は、第１の電極５と同じ組成からなることが好ましい。熱電モジュール１の熱電素子３に通電することで、熱電素子３の一方の端部および他方の端部のどちらか一方が発熱し他方が吸熱する。そのため、第１の電極５が固定された基体１１ａが発熱部または吸熱部となって、グランド電極９および第１の電極５が膨張または収縮する。このとき、グランド電極９と第１の電極５とが同じ組成で同じ熱膨張率であると、両者に生じる応力のばらつきを抑制することができる。

また、グランド電極９における通電方向がこのグランド電極９と隣り合う第１の電極５における通電方向と平行であることが好ましい。熱電モジュール１の回路形態が直流回路なので、熱電モジュール１の回路と平行にグランド電極９が位置していることにより、隣り合う第１の電極５間での電気的な短絡を抑制することができるからである。このような、熱電モジュール１の回路と平行にグランド電極９を位置させる構成は、熱電モジュール１を、高周波回路、特に変調器の冷却用として用いる場合に適用することができる。そうすることで、高周波回路、特に変調器において発生する高周波成分が、ノイズ信号として熱電モジュール１の回路に加わることを抑制することができる。結果として、熱電モジュール１の熱電性能を向上させることができる。

なお、隣り合う第１の電極５間の距離よりも隣り合う熱電素子３間の距離が小さくなるように配置しても良い。この場合であっても、熱電素子３間にグランド電極９が位置することで、上述のような熱電素子３間における電気的な短絡の発生を抑制する事ができる。例として、熱電素子３の形状が、紡錘形や球形である場合のように、後述する基体１１ａ，１１ｂの表面に垂直な方向に対する熱電素子３の端部における幅が熱電素子３の中央部における幅よりも小さい場合が挙げられる。

グランド電極９は、隣り合う複数のＰ型熱電素子３ａの一つと複数のＮ型熱電素子３ｂの一つとの間に位置することがよい。この場合、もともと互いに電気的に独立したＰ型熱電素子３ａの一つとＮ型熱電素子３ｂの一つとの間の絶縁を保つことができる。

（基体（第２の基板））
図１および図２に示すように、熱電モジュール１は基体（第２の基板）１１ｂを備えており、基体１１ｂは、その第２の表面１１１ｂに第２の電極７を固定できる。その結果、基体１１ａおよび基体１１ｂにより、熱電素子３、第１の電極５および第２の電極７が挟持されていることで、熱電モジュール１の形状を安定して保つことができる。

基体１１ａと同様に、基体１１ｂの第２の電極７が固定された第２の表面１１１ｂにも、グランド電極９を配設してもよい。基体１１ａおよび基体１１ｂのそれぞれの表面１１１ａ，１１１ｂにグランド電極９を配設することで、熱電モジュール１の回路形態が立体回路である場合においても、電気的な短絡の発生を抑制する事ができる。

基体１１ｂの表面に配設されたグランド電極９と基体１１ａの表面に配設されたグランド電極９とを、導体を用いて電気的に接続するようにしてもよい。これによって、一方のグランド電極９にリーク電流が流れた場合であっても、リーク電流を他方のグランド電極９に分散させることができ、グランド電極９の耐久性を向上させることができる。特に、上記の導体により基体１１ａおよび基体１１ｂのそれぞれの表面１１１ａ，１１１ｂに配設されたグランド電極９が保持されていることが好ましい。これにより、グランド電極９をより安定して固定することができるので、立体回路において電気的な短絡の発生をより抑制できるからである。

基体１１ａと同様に、基体１１ｂには、第２の電極７が固定された表面１１１ｂとは反対側の表面に、熱伝導部材２１が配設されていることが好ましい。

（第１の電極および第２の電極）
上述したように、第１の電極５は基体１１ａの表面１１１ａに配設され、第２の電極７は基体１１ｂの表面１１１ｂに配設されている。

第１の電極５および第２の電極７としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌなどのような低抵抗金属を用いることができる。腐食を避けるとともに、接合部材による熱電素子３との接合時の濡れ性を高めるため、第１の電極５および第２の電極７に、例えば、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキなどによるメッキ処理を施すことが好ましい。

なお、第１の電極５および第２の電極７の形状は、上述した長方形に限定されるものではなく、例えば、帯状、楕円形、または幅方向の一部が窪んだ形状など、本実施形態の要旨の範囲内で適宜変更してもよい。

複数の電極５，７のそれぞれの電極は長方形であることが好ましく、複数のＰ型熱電素子３ａおよび複数のＮ型熱電素子３ｂを電気的に直列に接続することが容易な電極となる。特に、第１の基板１１ａおよび第２の基板１１ｂに複数の電極５，７を形成して立体回路状に複数のＰ型熱電素子３ａおよび複数のＮ型熱電素子３ｂを電気的に直列に接続することが容易なものとなる。

また、複数の熱電素子３は、複数のＰ型熱電素子３ａと複数のＮ型熱電素子３ｂとを備えることがよい。この場合、複数の熱電素子３における一方の端部が発熱部となり、他方の端部が冷却部となる、発熱・冷却の併用が可能な熱電モジュール１とすることができる。

また、複数の電極５，７は、それぞれが複数のＰ型熱電素子３ａの一つおよび複数のＮ型熱電素子３ｂの一つに接続され、複数のＰ型熱電素子３ａおよび複数のＮ型熱電素子３ｂを電気的に直列に接続することがよい。この場合、複数の熱電素子３における一方の端部が発熱部となり、他方の端部が冷却部となる、発熱・冷却の併用が可能な小型の熱電モジュール１を容易に構成することができる。

また、複数の電極５，７はそれぞれ、その長さ方向の第１の端部で複数のＰ型熱電素子３ａの一つと接続され、第２の端部で複数のＮ型熱電素子３ｂの一つに接続されることがよい。この場合、複数のＰ型熱電素子３ａおよび複数のＮ型熱電素子３ｂを電気的に直列に接続することが容易なものとなる。

（接合部材）
熱電素子３と第１の電極５および第２の電極７とを接合する接合部材を備えてもよい。接合部材としては、例えば、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、ＩｎまたはＢｉを含む半田、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、ＴｉまたはＡｌを含むロウ材、Ａｇペーストを含む導電性接着剤があげられる。特に、比較的変形しやすい半田が好ましい。熱電モジュール１の両面に生じる大きな温度差に起因した熱応力を緩和する事によって、冷熱の繰り返しに対する耐久性を向上させる事ができるためである。

本実施形態にかかる熱電モジュール１に、以下に例示するような種々の変更を施す事ができる。

第１に、グランド電極９は、図８に示すように基体１１ａ，１１ｂの縁部に引き出されている場合、その縁部における幅がそれ以外の部位における幅より大きくなっていることが好ましい。この場合、グランド電極９にリーク電流が流れた場合であっても、グランド電極９における基体１１ａ，１１ｂの縁部の幅広部に接続された外部端子等を介して、リーク電流を基体１１ａ，１１ｂの外部へ効果的に電導させることができる。

第２に、グランド電極９は、基体１１ａ，１１ｂの表面に形成された溝に設けられていることが好ましい。この場合、冷却による結露が熱電素子３間に生じても、結露により生じる水分は、溝に形成されたグランド電極９に留まり、隣り合う熱電素子３の間にわたって存在することを抑制することができる。その結果、熱電素子３間での電気的な短絡の発生をより抑制できる。

第３に、グランド電極９は、基体１１ａ，１１ｂの表面に形成された縦断面形状が凸状の堤状部に設けられていることが好ましい。この場合、冷却による結露が熱電素子３間に生じても、結露により生じる水分は、堤状部に形成されたグランド電極９によって阻止され、隣り合う熱電素子３の間にわたって存在することを抑制することができる。その結果、熱電素子３間での電気的な短絡の発生をより抑制できる。

第４に、グランド電極９は、表面が撥水性の樹脂等によって覆われていることが好ましい。この場合、冷却による結露が熱電素子３間に生じても、結露により生じる水分は、グランド電極９の表面の撥水性の樹脂等によって阻止され、隣り合う熱電素子３の間にわたって存在することを抑制することができる。その結果、熱電素子３間での電気的な短絡の発生をより抑制できる。

＜第２の実施形態＞
図３および図４に本発明の第２の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。なお、本実施形態においては前述した第１の実施形態と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる熱電モジュール１では、グランド電極９は、熱電モジュール１の回路と平行となる複数の箇所に設けられている。これにより、第１の実施形態と比較して電気的な短絡の発生をさらに抑制できる。

特に、図４に示すように、全ての隣り合う第１の電極５の間にグランド電極９を設けることがより好ましい。これにより、図３に示す実施形態と比較して電気的な短絡の発生をさらに抑制できる。

＜第３の実施形態＞
図５および図６に本発明の第３の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。なお、本実施形態においては前述した第１の実施形態と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる熱電モジュールでは、第１の実施形態に加えて、グランド電極９と接続されたサーミスタ１３を備える。これによって、グランド電極９をサーミスタ１３の回路２３の一部として用いることができるとともに、リーク電流が生じた場合であってもサーミスタ１３の測定精度の低下を抑制できる。

サーミスタ１３は、第１の表面１１１ａおよび第２の表面１１１ｂの少なくとも一方に配設されることがよい。この場合、サーミスタ１３によって熱電モジュール１の温度を精度良く制御することができる。

また、サーミスタ１３は、複数の列３０のうち隣り合う２つの列の間に位置することがよい。この場合、例えば、サーミスタ１３をグランド電極９と接続させて設置することができ、これによって、グランド電極９をサーミスタ１３の回路の一部として用いることができるとともに、リーク電流が生じた場合であってもサーミスタ１３の測定精度の低下を抑制できる。

また、図６（ｂ）に示すように、グランド電極９を被覆する被覆部材１７を備えてもよい。それによって、グランド電極９の劣化を抑制することができるので、熱電モジュールの長時間の使用に対しても、グランド電極９を安定したアースとして用いることができる。

被覆部材１７としては、絶縁性を有しているものを用いることができる。具体的には、アルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、ガラスセラミックスまたは樹脂を用いることができる。特に、比較的弾性率が高い樹脂を用いる事で、基体１１ａの膨張または収縮に対して相対的に追従して、被覆部材１７に応力が集中することを抑制することができる。さらに、エポキシ樹脂のような耐熱プラスチックを用いることがより有効である。エポキシ樹脂は耐湿性に優れているため、外気によりグランド電極９が変性する可能性をより小さくすることができるからである。

また、被覆部材１７が基体１１ａと同じ材質であることも有効である。この場合には、被覆部材１７と基体１１ａの接合性が高められるからである。これにより、被覆部材１７が基体１１ａから剥離して、グランド電極９が露出する可能性を小さくすることができる。また、両者の熱膨張率が同じであるので、熱電モジュール１の通電時に、被覆部材１７と基体１１ａとの接合面に応力が集中することを抑制できる。

＜第４の実施形態＞
図７に本発明の第４の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。なお、本実施形態においては前述した第３の実施形態と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる熱電モジュール１では、絶縁性の部材（被覆部材１７）がグランド電極９と第１の電極５との間に充填されている。これにより、グランド電極９と第１の電極５との間にリーク電流が生じること自体を抑制することができる。また、もし仮に被覆部材１７による絶縁性が低下した場合であっても、リーク電流がグランド電極９を流れるように導く事ができるという上述の効果を備えるため、長期間にわたる熱電モジュール１の使用においても熱電特性の低下をより効果的に抑制できる。

被覆部材１７は、隣り合う２つの列３０の間を充填するように延在することが好ましい。この場合には、グランド電極９と電極５との間にリーク電流が生じること自体を抑制することができるので、長期間にわたる熱電モジュール１の使用においても、熱電特性が低下することをより確実に抑制できる。

以上において、本発明について複数の実施形態を用いて説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行うことは何ら差し支えない。例えば、上記の実施形態においては、四角柱状の熱電素子３を用いているが、多角柱状の熱電素子３および円柱状の熱電素子３を用いてもよい。

熱電モジュールを以下のようにして作製した。

Ｂｉ、ＴｅおよびＳｅからなるＮ型の熱電材料およびＢｉ、ＳｂおよびＴｅからなるＰ型の溶製材料を、それぞれ溶融し、ブリッジマン法により一方向に凝固させて、縦断面の直径がφ０．８ｍｍの棒状のＮ型材料およびＰ型材料を準備した。そして、厚さ１．５ｍｍになるように、これらのＮ型材料およびＰ型材料をワイヤーソーにて切断して、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子を得た。

得られたＮ型熱電素子およびＰ型熱電素子に電解メッキで切断面のみにニッケル層を形成し、その上にＡｕ層を配設した。ついで、配線導体として厚み１０５μｍの銅が配線された基体としての基板（サイズ１２ｍｍ×１２ｍｍ）を準備した。この配線導体上に、メタルマスクを用いて８０Ａｕ−２０Ｓｎ（８０質量％Ａｕ−２０質量％Ｓｎ）の半田ペーストを塗布した。この半田ペースト上に、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子が電気的に２４対の直列になるように配設した。また、他方の配線導体上に、メタルマスクを用いて８０Ａｕ−２０Ｓｎの半田ペーストを塗布した。ついで、上記のように配列されたＮ型熱電素子とＰ型熱電素子を２枚の基板で挟み込んだ。そして、２枚の基板の上下面に応力（圧力）をかけながらリフロー炉で加熱処理した。最後に、支持基板と熱交換器とを連結部材にて連結して熱電モジュールを得た。

試料番号１はグランド電極９を設けず、試料番号２〜４には、それぞれ図２〜図４に示すグランド電極９を設けた。試料番号５には、図５に示すようにサーミスタを接続した。グランド電極９の線幅は０．３ｍｍとし、エポキシ樹脂によりグランド電極９の表面を被覆した。

以上のようにして作製された熱電モジュールを用いて通電評価を行った。熱電モジュールの通電評価としては、まず、周波数１ｋＨｚの電圧を印加した場合における熱電モジュールの抵抗値を測定した。次いで、恒温槽を用いてマイナス２０℃の温度条件にて、２Ｖの直流電圧を通電して熱電モジュールを駆動させた。さらに、２５℃に温度条件にて同様に２Ｖの直流電圧を通電して熱電モジュールを駆動させた。これにより、熱電モジュール内に強制的に結露を発生させた。

そして、内部に結露が生じた熱電モジュールに２Ｖの直流電圧を通電させて熱電モジュールを駆動させた。その後、周波数１ｋＨｚの電圧を印加した場合における熱電モジュールの抵抗値を再度測定した。

結果は表１に示すとおりである。

試料番号１の熱電モジュールは、グランド電極を備えていないため、熱電素子間の一部で電気的な短絡が生じて、熱電モジュールの抵抗値が変化していた。測定後に試料番号１の熱電モジュールを分解して観察すると、隣り合う第１の電極間で電気的な短絡が生じたことを示す変色部が、上記の電極間において確認された。また、そのため、８対分の熱電素子がスキップして接続されたことが分かった。

一方、試料番号２〜５の熱電モジュールでは、グランド電極を備えていたため、熱電素子間での電気的な短絡が防止できていた。そのため、熱電モジュールの抵抗値がほとんど変化していなかった。

また、試料番号５のサーミスタを用いて、熱電モジュールの温度を計測した結果、恒温槽温度と同じ温度を示し、正確に温度が計測されることが確認できた。

さらに、試料番号２〜５の熱電モジュールについて、まず送風乾燥機中で８０℃の温度で１時間乾燥して結露した水分を完全に除去した。次に、恒温槽を用いて、再度２５℃の温度条件で、それぞれの熱電モジュールに２Ｖの直流電圧を通電して１００時間駆動した。そして、周波数１ｋＨｚの交流電圧を印加した後のそれぞれの熱電モジュールの抵抗値を再度測定した。

結果は表２に示すとおりである。

表２より、試料番号２〜５の熱電モジュールは、結露によって表面に発生した水分が完全に除去されたことによって、水分に起因したリーク電流の発生がなくなり、結露前のモジュールの抵抗値となった。

以上より、本発明の熱電モジュールは、グランド電極を備えていることから、結露が発生した環境においても熱電素子間の短絡を防止することができ、また、連続駆動しても抵抗値が変化しない極めて安定した特性の熱電モジュールであることが確認できた。

１・・・熱電モジュール
３・・・熱電素子
３ａ・・・Ｐ型熱電素子
３ｂ・・・Ｎ型熱電素子
５・・・第１の電極
７・・・第２の電極
９・・・グランド電極
１１・・・基体
１１ａ・・・基体（第１の基板）
１１ｂ・・・基体（第２の基板）
１３・・・サーミスタ
１７・・・被覆部材
１９・・・取出電極
２１・・・熱伝導部材
２３・・・回路
３０・・・電極の列
１１１ａ・・・第１の基板の第１の表面
１１１ｂ・・・第２の基板の第２の表面

Claims (13)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板の第１の表面と所定の距離を隔てて対向する第２の表面を備える、第２の基板と、
   前記第１の表面および前記第２の表面のそれぞれに当接して配列された、複数の熱電素子と、
   前記第１の表面および前記第２の表面に配設されかつ前記複数の熱電素子の一つ以上に接続される、複数の電極と、
   前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に配設されたグランド電極とを備える熱電モジュールであって、
   前記複数の電極は、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方において、２以上が長さ方向に並んでなる、複数の列を備え、
   前記グランド電極は、前記複数の列のうち隣り合う２つの列の間に位置することを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記グランド電極は、前記隣り合う２つの列が対向している長さ領域に渡って延在することを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記グランド電極を被覆する被覆部材をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
4. 前記被覆部材は、前記隣り合う２つの列の間を充填するように延在することを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
5. 前記複数の熱電素子は、複数のＰ型熱電素子と複数のＮ型熱電素子とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱電モジュール。
6. 前記複数の電極は、それぞれが前記複数のＰ型熱電素子の一つおよび前記複数のＮ型熱電素子の一つに接続され、前記複数のＰ型熱電素子および前記複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続することを特徴とする請求項５に記載の熱電モジュール。
7. 前記複数の電極はそれぞれ、その長さ方向の第１の端部で前記複数のＰ型熱電素子の一つと接続され、第２の端部で前記複数のＮ型熱電素子の一つに接続されることを特徴とする請求項６に記載の熱電モジュール。
8. 前記グランド電極は、隣り合う前記複数のＰ型熱電素子の一つと前記複数のＮ型熱電素子の一つとの間に位置することを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の熱電モジュール。
9. 前記グランド電極における通電方向は、前記複数の電極のうち前記グランド電極と隣り合う電極における通電方向と平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の熱電モジュール。
10. 前記グランド電極に接続されたサーミスタをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の熱電モジュール。
11. 前記サーミスタは、前記第１の表面および前記第２の表面の少なくとも一方に配設されることを特徴とする請求項１０に記載の熱電モジュール。
12. 前記サーミスタは、前記複数の列のうち隣り合う２つの列の間に位置することを特徴とする請求項１１に記載の熱電モジュール。
13. 前記複数の電極のそれぞれは長方形であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の熱電モジュール。

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